DO an TOT NGHIEP DAI HOC Mang Cam Bien Khong Day

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG ----------------*

*----------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài

CÁC ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ ĐÁNH GIÁ BẰNG MÔ PHỎNG

Người thực hiện: Đỗ ngọc Anh Lớp: D2001VT Người hướng dẫn: TS. Đinh Văn Dũng

Hà Nội 2005

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BCVT KHOA VIỄN THÔNG I ----------o0o----------

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc ----------o0o----------

ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỌ C Họ và tên: Đỗ ngọc Anh D2001VT Lớp: Khoá học: 2001 - 2006 Nghành: Điện tử - Viễn thông Tên đề tài: Các ứng dụng của công nghệ cảm biến không dây và đánh giá bằng mô phỏng. Nội dung đồ án: - Gi Giới ới thi thiệu ệu tổn tổngg quan quan về về mạng mạng cảm cảm biế biếnn khôn khôngg dây. dây. - Các ứng dụng của Công nghệ mạng cảm biến không dây. - Mô hình và phần mềm mô phỏng ứng dụng mạng cảm biến không dây. - Đánh giá một số tham số Chất lượng dịch vụ QoS của mạng cảm biến không dây.

Ngày giao đề tài: Ngày nộp đồ án:

25/07/2005. 25/10/2005 Ngày

t há ng

năm 2005

Giáo viên hướng dẫn

TS. ĐINH VĂN DŨNG

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BCVT KHOA VIỄN THÔNG I ----------o0o----------

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc ----------o0o----------

ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỌ C Họ và tên: Đỗ ngọc Anh D2001VT Lớp: Khoá học: 2001 - 2006 Nghành: Điện tử - Viễn thông Tên đề tài: Các ứng dụng của công nghệ cảm biến không dây và đánh giá bằng mô phỏng. Nội dung đồ án: - Gi Giới ới thi thiệu ệu tổn tổngg quan quan về về mạng mạng cảm cảm biế biếnn khôn khôngg dây. dây. - Các ứng dụng của Công nghệ mạng cảm biến không dây. - Mô hình và phần mềm mô phỏng ứng dụng mạng cảm biến không dây. - Đánh giá một số tham số Chất lượng dịch vụ QoS của mạng cảm biến không dây.

Ngày giao đề tài: Ngày nộp đồ án:

25/07/2005. 25/10/2005 Ngày

t há ng

năm 2005

Giáo viên hướng dẫn

TS. ĐINH VĂN DŨNG

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN:

Điểm:

(Bằng chữ:

).

Ngày

tháng

năm 2005

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN:

Điểm:

(Bằng chữ:

).

Ngày

tháng

năm 2005

MỤC LỤC MỤC LỤC...................................................................................................................................I THUẬT NGỮ VIẾT TẮT........................................................................................................III LỜI NÓI ĐẦU............................................................................................................................1 CHƯƠNG 1................................................................................................................................3 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY............................................................3 1.1 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây..........................................................................3 1.2 Mô tả hệ thống tổng quát..................................................................................................3 1.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến mạng cảm biến không dây....................................................5 1.3.1 Tiêu thụ nguồn mức thấp...........................................................................................5 1.3.2 Chi phí thấp................................................................................................................6 1.3.3 Mức độ khả dụng.......................................................................................................6 1.3.4 Kiểu mạng..................................................................................................................6 1.3.5 Bảo mật......................................................................................................................7 1.3.6 Thông lượng dữ liệu...................................................................................................9 1.3.7 Trễ bản tin..................................................................................................................9 1.3.8 Tính di động.............................................................................................................10 1.4 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây.......................................................................10 1.4.1 Kích thước vật lý nhỏ...............................................................................................10 1.4.2 Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao...............................................................10 1.4.3 Khả năng liên kết vật lý và phân cấp điều khiển hạn chế........................................10 1.4.4 Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng....................................................................11 1.4.5 Hoạt động tin cậy.....................................................................................................11 1.5 Kiến trúc và giao thức mạng cảm biến không dây..........................................................11 1.5.1 Lớp ứng dụng...........................................................................................................13 1.5.2 Lớp giao vận............................................................................................................13 1.5.3 Lớp mạng.................................................................................................................14 1.5.4 Lớp liên kết số liệu...................................................................................................14 1.5.5 Lớp vật lý.................................................................................................................15 1.6 Các hỗ trợ truyền thông cho mạng cảm biến không dây.................................................16 1.6.1 Hệ điều hành TinyOS...............................................................................................16 1.6.2 Hệ thống Cảm biến mạng tích hợp không dây WINS ............................................26 CHƯƠNG 2 .............................................................................................................................37 CÁC ỨNG DỤNG CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY................................................37 2.1 Các ứng dụng của công nghệ mạng cảm biến không dây...............................................37 2.1.1 Giám sát và điều khiển công nghiệp........................................................................37 2.1.2 Tự động hoá gia đình và điện dân dụng...................................................................40 2.1.3 Cảm biến trong quân sự...........................................................................................42 2.1.4 Cảm biến trong y tế và giám sát sức khoẻ...............................................................43 2.1.5 Cảm biến môi trường và nông nghiệp thông minh..................................................44 2.2 Một ứng dụng giám sát môi trường sống - đảo Great Duck Island................................46 2.2.1 Các yêu cầu cho giám sát môi trường sống trên đảo GDI.......................................47 2.2.2 Các kế hoạch thi hành..............................................................................................51 CHƯƠNG 3 .............................................................................................................................57 MÔ HÌNH HOÁ VÀ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY.........57 3.1 Mô hình hoá mô phỏng...................................................................................................57 3.1.1 Mô hình SWAN theo dõi mức độ ô nhiễm môi trường...........................................57 3.1.2 Mô hình của trường Đại học Los Angeles California .............................................64 3.2 Thiết kế phần mềm mô phỏng mạng cảm biến không dây.............................................70

I

3.2.1 Phần mềm NS-2.......................................................................................................70 3.2.2 Cơ sở phát triển mô phỏng mạng cảm biến trên nền NS-2......................................73 3.2.3 Các bổ sung vào NS-2..............................................................................................74 3.2.4 Các chỉnh sửa trong NS-2........................................................................................76 3.3 Mô tả mã lập trình mô phỏng..........................................................................................78 3.3.1 Thiết lập kênh hiện tượng và kênh dữ liệu ..............................................................78 3.3.2 Thiết lập một giao thức MAC cho kênh Phenomenon.............................................79 3.3.3 Thiết lập các node Phenomenon..............................................................................79 3.3.4 Thiết lập tốc độ và kiểu xung của Phenomenon......................................................79 3.3.5 Định hình node cảm biến.........................................................................................80 3.3.6 Thiết lập các node non-sensor (điểm thu thập dữ liệu, Gateway)............................81 3.3.7 Gắn kết các tác nhân cảm biến.................................................................................81 3.3.8 Gắn kết một tác nhân UDP và ứng dụng cảm biến cho mỗi node ..........................81 3.3.9 Khởi động ứng dụng cảm biến.................................................................................81 4.1 Mô tả kịch bản mô phỏng...............................................................................................82 4.2 Thực hiện mô phỏng ......................................................................................................82 4.2.1 Viết mã và chạy mô phỏng......................................................................................82 4.2.2 Tính toán kết quả......................................................................................................84 4.2.3 Tính tỷ lệ mất gói udp tại lớp giao ..........................................................................85 4.2.4 Tính độ trễ gói (s).....................................................................................................87 4.2.5 Tính tốc độ gói udp trung bình (kbps).....................................................................88 4.3 Đánh giá kết quả đạt được sau mô phỏng.......................................................................90 KẾT LUẬN...............................................................................................................................92

II

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Ad hoc On - Demand Distance - Vector Routing Carrier Sense Multiple CSMA Access Distributed Aggregate DAM Management Destination-Sequenced DSDV Distance-Vector DSR Dynamic Source Routing Global Navigation Satellite GLONASS System GPS Global Positioning System Heating, Ventilation, and Air HVAC Conditioning MAC Medium Access Control NS-2 Network Simulator - 2 PDA Personal Digital Assistant RF Radio Frequency RFM RF Monolithic RKE Remote Keyless Entry Sensor Management SMP Protocol Sensor Query and Data SQDDP Dissemination Protocol Simulator for Wireless AdSWAN hoc Networks Task Assignment and Data TADAP Advertisement Protocol Time Division Multiple TDMA Access Temporally Ordered Routing TORA Algorithm Universal Asynchronous UART Receiver Transmitter VHSIC Hardware VHDL Description Language Wireless Integrated Network WINS Sensors Wireless Local Area WLAN Network Wireless Personal Area WPAN Network AODV

III

Chuỗi chỉ hướng theo yêu cầu Ad hoc Đa truy nhập cảm biến sóng mang Giao thức quản lý khối kết hợp phân tán Chuỗi chỉ hướng với đích tuần tự Giao thức định tuyến nguồn động Hệ thống vệ tinh điều hướng toàn cầu Hệ thống định vị toàn cầu Hơi ấm, thông gió và các điều kiện không khí Điều khiển truy nhập môi trường Bộ mô phỏng mạng phiên bản 2 Trợ tá số cá nhân Tần số vô tuyến Thành phần nguyên khối tần số vô tuyến Đăng nhập chỉ mục không khoá từ xa Giao thức quản lý cảm biến Giao thức truy vấn cảm biến và phổ biến số liệu Mô hình mô phỏng các mạng Ad hoc không dây Giao thức phân nhiệm vụ và quảng cáo số liệu Đa truy nhập phân chia theo thời gian Thuật toán tìm đường tuần tự theo thời gian Bộ thu phát không đồng bộ chung Ngôn ngữ mô tả phần cứng Mạch tích hợp mật độ cao Cảm biến mạng tích hợp vô tuyến Mạng nội hạt vô tuyến Mạng vùng cá nhân vô tuyến

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Lời nói đầu

LỜI NÓI ĐẦU Trong quá trình phát triển của con người, những cuộc các mạng về công nghệ đóng một vai trò rất quan trọng, chúng làm thay đổi từng ngày từng giờ cuộc sống của con người, theo hướng hiện đại hơn. Đi đôi với quá trình phát triển của con người, những thay đổi do chính tác động của con người trong tự nhiên, trong môi trường sống cũng đang diễn ra, tác động trở lại chúng ta, như ô nhiễm môi trường, khí hậu thay đổi, v.v... Dân số càng tăng, nhu cầu cũng tăng theo, các dịch vụ, các tiện ích từ đó cũng được hình thành và phát triển theo. Đặc biệt là áp dụng các công nghệ của các ngành điện tử, công nghệ thông tin và viễn thông vào trong thực tiễn cuộc sống con người. Công nghệ cảm biến không dây được tích hợp từ các kỹ thuật điện tử, tin học và viễn thông tiên tiến vào trong mục đích nghiên cứu, giải trí, sản xuất, kinh doanh, v.v..., phạm vi này ngày càng được mở rộng, để tạo ra các ứng dụng đáp ứng cho các nhu cầu trên các lĩnh vực khác nhau. Hiện nay, công nghệ cảm biến không dây chưa được áp dụng một các rộng rãi ở nước ta, do những điều kiện về kỹ thuật, kinh tế, nhu cầu sử dụng. Song nó vẫn hứa hẹn là một đích đến tiêu biểu cho các nhà nghiên cứu, cho những mục đích phát triển đầy tiềm năng. Để áp dụng công nghệ này vào thực tế trong tương lai, đã có không ít các nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu, nắm bắt những thay đổi trong công nghệ này. Được sự định hướng và chỉ dẫn của Tiến sĩ Đinh Văn Dũng, phòng Nghiên cứu Phát triển Dịch vụ mới và Tự động hóa, Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu Điện, em đã chọn đề tài đồ án: “Các ứng dụng của công nghệ cảm biến không dây và đánh giá bằng mô phỏng”. Với mục đích tìm hiểu về mạng cảm biến không dây, dựa trên công nghệ mạng di động tạm thời, triển khai nhanh không cần một cơ sở hạ tầng trong lĩnh vực cảm biến thu nhận dữ liệu. Trong đồ án còn thực hiện một mô phỏng cho mạng cảm biến không dây với mục đích tìm hiểu phương pháp mô hình hoá, mô phỏng mạng và phân tích đánh giá kết quả từ một chương trình mô phỏng. Nội dung của đồ án được thể hiện qua 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây. Chương 2: Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây. Chương 3: Mô hình hoá và phần mềm mô phỏng mạng cảm biến không dây. Chương 4: Đánh giá chất lượng dịch vụ QoS của mạng cảm biến không dây.


Lời nói đầu

Do kiến thức và khả năng của em còn hạn chế, nên đồ án tốt nghiệp này không tránh khỏi các sai sót. Mong được sự góp ý của các thầy, các cô và các bạn để nội dung đồ án được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn Tiến sĩ Đinh Văn Dũng, phòng Nghiên cứu Phát triển Dịch vụ mới và Tự động hóa, Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu Điện, đã hướng dẫn em về chuyên môn, phương pháp làm việc để em có thể xây dựng và hoàn thành nội dung đồ án theo đúng kế hoạch. Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy, các cô, các bạn trong Khoa Viễn thông I, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho em hoàn thành đồ án này.

Ngày 25 tháng 10 năm 2005 Sinh viên thực hiện Đỗ ngọc Anh


Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây 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 (vô tuyến, hồng ngoại hoặc quang học) để phối hợp thực hiện các nhiệm vụ cảm biến phân tán về đối tượng mục tiêu. Mạng này có thể liên kết trực tiếp với node quản lý của giám sát viên hay gián tiếp thông qua một điểm thu (Sink) và môi trường mạng công cộng như Internet hay vệ tinh. Các node cảm biến không dây có thể được triển khai cho các mục đích chuyên dụng như giám sát và an ninh; kiểm tra môi trường; tạo ra không gian thông minh; khảo sát, chính xác hóa trong nông nghiệp; y tế;... Lợi thế chủ yếu của chúng là khả năng triển khai hầu như trong bất kì loại hình địa lý nào kể cả các môi trường nguy hiểm không thể sử dụng mạng cảm biến có dây truyền thống được. Việc kết hợp các bộ cảm biến thành mạng lưới ngày nay đã tạo ra nhiều khả năng mới cho con người. Các bộ vi cảm biến với bộ xử lý gắn trong và các thiết bị vô tuyến hoàn toàn có thể gắn trong một kích thước rất nhỏ. Chúng có thể hoạt động trong một môi trường dày đặc với khả năng xử lý tốc độ cao. Do đó, với mạng cảm biến không dây ngày nay, người ta đã có thể khám phá nhiều hiện tượng rất khó thấy trước đây. Ngày nay, các mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như các cấu trúc chống lại địa chấn, nghiên cứu vi sinh vật biển, giám sát việc chuyên chở các chất gây ô nhiễm, kiểm tra hệ sinh thái và môi trường sinh vật phức tạp, v.v...

1.2 Mô tả hệ thống tổng quát Các node cảm biến được triển khai trong một trường cảm biến (sensor field) được minh họa trên hình 1.1. Mỗi node cảm biến được phát tán trong mạng có khả năng thu thập thông số liệu, định tuyến số liệu về bộ thu nhận (Sink) để chuyển tới người dùng (User) và định tuyến các bản tin mang theo lệnh hay yêu cầu từ node Sink đến các node cảm biến. Số liệu được 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 Đỗ ngọc Anh - D2001VT

-3-



trung tâm điều khiển, như trong hình 1.1. Bộ thu nhận có thể liên lạc trực tiếp với trạm điều hành (Task Manager Node) của người dùng hoặc gián tiếp thông qua Internet hay vệ tinh (Satellite).

Hình 1.1: Mô hình triển khai các node cảm biến không dây

Một node cảm biến được tạo lên từ bốn thành phần cơ bản là: bộ cảm biến, bộ xử lý, bộ thu phát không dây và nguồn. Tuỳ theo ứng dụng cụ thể, node cảm biến còn có thể có các thành phần bổ xung như hệ thống tìm vị trí, bộ sinh năng lượng và thiết bị di động. Các thành phần trong một node cảm biến được minh họa trên hình 1.2. Bộ cảm biến thường thường gồm hai đơn vị thành phần là thiết bị cảm biến (Sensor) và bộ chuyển đổi tương tự/số (ADC). Các tín hiệu tương tự có được từ các cảm biến trên cơ sở cảm biến các hiện tượng được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ chuyển đổi ADC, rồi mới được đưa tới bộ xử lý. Bộ xử lý, thường kết hợp với một bộ nhớ nhỏ, phân tích thông tin cảm biến và quản lý các thủ tục cộng tác với các node khác để phối hợp thực hiện nhiệm vụ. Bộ thu phát đảm bảo thông tin giữa node cảm biến và mạng bằng kết nối không dây, có thể là vô tuyến, hồng ngoại hoặc bằng tín hiệu quang. Một thành phần quan trọng của node cảm biến là bộ nguồn. Bộ nguồn, có thể là pin hoặc acquy, cung cấp năng lượng cho node cảm biến và không thay thế được nên nguồn năng lượng của node thường là giới hạn. Bộ nguồn có thể được hỗ trợ bởi các thiết bị sinh năng lượng, ví dụ như các tấm pin mặt trời nhỏ. Hầu hết các công nghệ định tuyến trong mạng cảm biến và các nhiệm vụ cảm biến yêu cầu phải có sự nhận biết về vị trí với độ chính xác cao. Do đó, các node cảm biến thường phải có hệ thống tìm vị trí. Các thiết bị di động đôi khi cũng Đỗ ngọc Anh - D2001VT

-4-



cần thiết để di chuyển các node cảm biến theo yêu cầu để đảm bảo các nhiệm vụ được phân công. Thiết bị di động

Hệ thống tìm vị trí

Bộ cảm biến

Bộ xử lý Bộ thu phát

Thiết bị xử lý Thiết bị nhớ

Sensor ADC

Bộ nguồn

Bộ sinh năng lượng

Hình 1.2: Các thành phần của node cảm biến

1.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến mạng cảm biến không dây 1.3.1 Tiêu thụ nguồn mức thấp Các ứng dụng mạng cảm biến không dây điển hình yêu cầu các thành phần với nguồn tiêu thụ trung bình, thực chất thấp hơn hiện tại được cung cấp trong các bổ xung của các mạng không dây hiện tại giống như Bluetooth. Ví dụ các thiết bị cho các kiểu cảm biến công nghiệp và y tế, các nhãn thông minh, các huy hiệu, được cấp nguồn từ các nguồn pin nhỏ, thời gian tiêu thụ một vài tháng đến một vài năm. Các ứng dụng bao gồm giám sát và điều khiển thiết bị công nghiệp yêu cầu thời gian sống của nguồn pin dài để duy trì sự tồn tại đưa và vào thiết bị được giám sát không được thỏa thuận. Các ứng dụng khác, giống như giám sát môi trường các vùng rộng, có thể yêu cầu một số lượng lớn các thiết bị nên không thể thay đổi nguồn thường xuyên. Hơn nữa, các ứng dụng nào đó không thể tận dụng một nguồn cho tất cả; các node mạng trong các ứng dụng này phải nhận nguồn năng lượng nhờ quá trình khai thác và lọc năng lượng từ môi trường. Một ví dụ của kiểu này là cảm biến áp suất lốp xe, mong muốn nhận được năng lượng từ các nguồn năng lượng cơ hoặc nhiệt hiện diện trong các lốp ô tô thay vì một nguồn có thể yêu cầu được thay thế trước khi lốp chạy. Để bổ xung cho mức tiêu thụ nguồn trung bình, các nguồn năng lượng chính với khả năng nguồn năng lượng trung bình thường có các khả năng nguồn năng lượng đỉnh giới hạn; thực tế này được quan tâm trong thiết kế hệ thống.

Đỗ ngọc Anh - D2001VT

-5-



1.3.2 Chi phí thấp Vì mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn các node cảm biến nên chi phí sản xuất một node rất quan trọng ảnh hưởng đến giá thành toàn mạng. Nếu chi phí của mạng cao hơn so với việc phát triển các cảm biến truyền thống thì mạng cảm biến là không chấp nhận được. Như vậy, giá thành một node cảm biến cần phải giữ ở mức thấp. Hiện nay, chi phí sản xuất của một node cảm biến phải thấp hơn 1Dollar thì mạng mới có thể thực hiện được. Các node cảm biến ngoài các thành phần chính là bộ cảm biến chuyên dụng, hệ thống thu phát vô tuyến, bộ xử lý, nguồn nuôi, còn phải trang bị thêm các thiết bị khác để có khả năng tìm vị trí, di động, tạo năng lượng, v.v... tuỳ theo ứng dụng cụ thể. Do đó, chi phí sản xuất trở thành một thách thức khi một khối lượng các chức năng được giới hạn trong giá thành thấp hơn 1 Dollar.

1.3.3 Mức độ khả dụng Nhiều ứng dụng được đề xuất của mạng cảm biến không dây, giống như các thẻ hành lý không dây và các hệ thống định vị container tàu hàng, yêu cầu mạng có mức độ khả dụng cao. Hơn nữa, để tăng sản lượng, mức tiếp thị, mua bán, và hiệu quả phân tán của sản phẩm mà có thể có các thiết bị mạng cảm biến không dây được nhúng trong chúng, và để tránh quá trình hình thành những thay đổi trong vùng khác nhau phải được giám sát riêng lẻ thông qua (có thể là riêng rẽ) dây truyền phân tán, do đó mong muốn cung cấp các thiết bị mà có khả năng vận hành trên khắp thế giới. Dù vậy, theo lý thuyết, khả năng này có thể được sử dụng bởi việc tận dụng các bộ thu nhận GPS (Global (Global Positioning Positioning System) System) hoặc GLONASS (Global Navigation Satellite System) trong mỗi node mạng và điều chỉnh node cách thức hoạt động theo vị trí của nó, chi phí để thêm một bộ thu nhận thứ hai, cộng thêm tính mềm dẻo để thực thi bổ xung được yêu cầu để nhận các yêu cầu khắp thế giới khác nhau, về phương diện kinh tế phương pháp này là không tồn tại. Bởi vậy, mong muốn tận dụng một băng thông đơn - có ít trong các yêu cầu điều luật cảu chính phủ từ quốc gia đến quốc gia - để tăng cực đại toàn bộ thị trường tiêu thụ cho các mạng cảm biến không dây.

1.3.4 Kiểu mạng Một mạng star thông thường tận dụng một thiết bị master đơn và một hoặc nhiều hơn thiết bị slave có thể thoả mãn nhiều ứng dụng. Bởi vì công suất truyền dẫn của các thiết bị mạng bị giới hạn bởi các điều luật chính phủ và các công ty cung cấp nguồn nuôi battery-life, tuy nhiên, thiết kết mạng này sẽ hạn chế phạm Đỗ ngọc Anh - D2001VT

-6-



vi vật lý một mạng có thể phục vụ đến phạm vi của một thiết bị đơn (master). Khi phạm vi bổ xung được yêu cầu, các kiểu mạng hỗ trợ định tuyến multi-hop (ví dụ các kiểu mesh hoặc cluster) phải được tận dụng; bộ nhớ bổ xung và chi phí tính toán cho các bảng hoặc thuật toán định tuyến, trong quá trình bổ xung overhead bảo trì mạng, phải được hỗ trợ không cần chi phí thừa hoặc mức tiêu thụ nguồn. Để được xác nhận cho nhiều ứng dụng, các mạng cảm biến có bậc tương đối lớn (>256 node); mật độ thiết bị cũng có thể cao (ví dụ trong các ứng dụng thẻ báo giá trong siêu thị).

1.3.5 Bảo mật Bảo mật trong mạng cảm biến không dây có hai vấn đề có giá trị quan trọng bảo mật thực tế mạng như thế nào và bảo mật mạng như thế nào được nhận biết do người sử dụng và (đặc biệt) là người sử dụng tiềm năng. Việc nhận biết bảo mật là vấn đề quan trọng bởi vì người sử dụng có một mối lo tự nhiên là khi dữ liệu của họ (hoặc bất cứ thứ gì có thể) được truyền dẫn qua không khí cho bất cứ ai để nhận. Thường, một ứng dụng tận dụng mạng cảm biến không dây thay thế một phiên bản có dây mà người sử dụng có thể nhìn thấy tự nhiên các dây dẫn hoặc các cấp tải thông tin, và biết, chắc chắn hợp lý, rằng không có ai cũng có thể nhận được thông tin hoặc xen thông tin sai lệch vào chúng đến nơi nhận. Ứng dụng không dây phải làm việc để chiếm lại độ tin cậy đã đảm bảo với thị trường rộng lớn được yêu cầu với chi phí thấp hơn. Tuy nhiên, bảo mật hơn nữa là quá trình mã hoá đúng bản tin. Thực tế, trong nhiều ứng dụng, quá trình mã hoá (quá trình giữ một bí mật hoặc một riêng tư bản tin) không phải là một mục đích bảo mật quan trọng của các mạng cảm biến không dây. Thường, các mục đích bảo mật quan trọng là đảm bảo rằng nhiều bản tin được nhận không bị sửa đổi theo nhiều con con đường từ người gửi nó với nội dung đó. Tuy nhiên, điều gì quan trọng hơn, máy nghe trộm cố ý trên đường không thể xen các bản tin lỗi hoặc đã sửa đổi vào mạng cảm biến không dây, ví dụ có thể nguyên nhân do đèn bật và tắt một cách ngẫu nhiên. Các yêu cầu này là một kiểu bảo mật thứ hai, quá trình xác nhận đúng bản tin hoặc kiểm tra tính nguyên vẹn của bản tin, mà nó được thực hiện bởi việc gắn một MIC (Message Integrity Code) phụ thuộc bản tin và người gửi vào bản tin được truyền truyền phát. (Trong các trường bảo mật, MIC thường được giới hạn MAC (Message Authentication Code) nhưng MIC được sử dụng trong văn bản này để tránh được sự xáo trộn có


-7-



thể với lớp MAC của ngăn xếp giao thức OSI). Người thu mong muốn và người gửi chia sẻ một khoá, nó được sử dụng bởi người gửi tạo ra MIC phù hợp với người nhận để phê chuẩn tính nguyên vẹn của bản tin và định dạng người gửi. Để tránh “replay attacks”, trong một máy nghe trộm ghi nhận một bản tin và truyền phát lại nó sau đó, một bộ đếm hoặc bộ định thời bản tin được gộp lại trong trường tính toán MIC. Trong cách này, không có hai bản tin xác thực thậm chí chứa cùng dữ liệu - được nhận dạng. Về bảo mật, người thiết kế mạng cảm biến không dây gặp phải ba vấn đề khó khăn: -

Chiều dài MIC, để phù hợp với kế hoạch bảo mật tại mọi nơi, phải được cân bằng với chiều dài điển hình của dữ liệu được truyền phát, và mong muốn cho các bản tin được truyền phát ngắn. Dù vậy, một MIC 16-byte (128 bit) thường được đưa ra như một thiết yếu cho hầu hết các hệ thống bảo mật, nó trở nên cồng kênh khi dữ liệu bit đơn được truyền đi (ví dụ bật, tắt). Người thiết kế có thể cân bằng các yêu cầu bảo mật của nhiều người sử dụng với các yêu cầu nguồn thấp của mạng. Chú ý rằng điều này có thể bao gồm các lựa chọn chiều dài MIC, phù hợp với các quá trình kết hợp xác nhận bản tin, kiểm tra tính toàn vẹn, và mã hoá - và phải được thực hiện tự động, giống như một phần của một mạng tự tổ chức.

-

Để tối thiểu hoá chi phí các thiết bị mạng, các tính năng bảo mật phải có khả năng bổ xung với phần cứng rẻ, với một bổ xung tối thiểu các cổng logic, RAM, và ROM. Thêm nữa, công suất tính toán (ví dụ tốc độ đồng hồ máy vi tính, số lượng các hạt xử lý có sẵn, v.v…) có sẵn trong hầu hết các thiết bị mạng là rất giới hạn. Sự kết hợp này của số lượng cổng thấp, các yêu cầu bộ nhớ nhỏ, và số lượng lệnh thực thi thấp giới hạn các kiểu các thuật toán bảo mật mà có thể được sử dụng.

-

Cuối cùng, vấn đề khó khăn nhất để giải quyết phổ biến là quá trình phân tán khoá. Nhiều phương pháp có hiệu lực, bao gồm một vài kiểu của mật mã hoá khoá công cộng tận dụng khoá chuyên dụng tải trên các thiết bị và các loại khoá khác nhau của quá trình can thiệp của người sử dụng trực tiếp. Tất cả đều có những ưu điểm và nhược điểm khi được sử dụng trong một hệ thống nhất định; người thiết kế mạng cảm biến phải lựa chọn một mà thích hợp nhất cho ứng dụng trong tầm kiểm soát.


-8-



Các mạng cảm biến có các yêu cầu bổ xung, bao gồm yêu cầu cho tỷ lệ phân chia đến các mạng rộng lớn, dung sai lỗi, và yêu cầu để vận hành trong sự đa dạng rộng lớn trong các môi trường đối nghịch một cách hợp lý. Mặc dù việc thiết kế một mạng như vậy để nhận được các yêu cầu có thể coi như là đã nản chí, người thiết kế của một mạng cảm biến không dây không cần các công cụ. Các yêu cầu về nguồn và chi phí chặt chẽ hình thành các yêu cầu khôn bắt buộc trong các phạm vi khác.

1.3.6 Thông lượng dữ liệu Khi đề cập ngay đầu tiên, các mạng cảm biến không dây có giới hạn về các yêu cầu thông lượng dữ liệu khi so sánh với Bluetooth (IEEE 802.15.1) và với các mạng WPAN và WLAN khác.Với các mục đích thiết kế, tốc độ dữ liệu mong muốn cực đại, khi tính toán trung bình qua mộ chu kỳ một giờ, có thể thiết lập là 512b/s (64 byte/s), dù vậy phác họa này có phần tuỳ tiện. Tốc độ dữ liệu điển hình được mong đợi có ý nghĩa đáng kể dưới điều này; có thể 1 b/s hoặc thấp hơn trong một vài ứng dụng. Chú ý rằng đây là thông lượng dữ liệu, không phải là tốc độ dữ liệu ban đầu khi truyền phát qua kênh, có thể cao hơn đáng kể. Lượng thông lượng dữ liệu được yêu cầu thấp này gợi ý rằng với nhiều số lượng overhead giao thức có ích (ví dụ các header, trường địa chỉ,v.v…), hiệu quả truyền thông của mạng sẽ rất thấp đặc biệt khi so sánh ngược lại với mạng gửi các gói TCP/IP có thể dài 1500 byte. Không có vấn đề gì khi thiết kế được lựa chọn, hiệu quả sẽ rất thấp, và trong tình thế đó, có thể được nhìn thấy một cách rõ ràng: người thiết kế giao thức có khả năng phác hoạ tự ý mối quan tâm hiệu quả truyền thông, thường là một tham số quyết định trong thiết kế giao thức.

1.3.7 Trễ bản tin Các mạng cảm biến có các yêu cầu QoS rất rộng, bởi vì, phổ biến, chúng không hỗ trợ truyền thông đẳng thời hoặc đồng bộ, và có các giới hạn thông lượng dữ liệu ngăn cản quá trình truyền phát video và voice thời gian thực, trong nhiều ứng dụng. Yêu cầu trễ bản tin cho các mạng cảm biến không dây vì vậy rất thoải mái trong sự so sánh nó với các mạng WPAN khác; trong nhiều ứng dụng, một độ trễ và giây hoặc vài phút có thể chấp nhận tương đối.


-9-



1.3.8 Tính di động Các ứng dụng mạng cảm biến không dây, phổ biến, không yêu cầu tính động. Bởi vì mạng được giải phóng từ gánh nặng của quá trình nhận dạng các đường định tuyến truyền thông mở, các mạng cảm biến không dây mang overhead lưu lượng điều khiển ít hơn và có thể tận dụng các phương pháp định tuyến đơn giản hơn so với mạng di động Ad hoc.

1.4 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây 1.4.1 Kích thước vật lý nhỏ Trong bất kỳ hướng phát triển công nghệ nào, kích thước và công suất tiêu thụ luôn chi phối khả năng xử lý, lưu trữ và tương tác của các thiết bị cơ sở. Việc thiết kế các phần cứng cho mạng cảm biến phải chú trọng đến giảm kích cỡ và công suất tiêu thụ với yêu cầu nhất định về khả năng hoạt động. Việc sử dụng phần mềm phải tạo ra các hiệu quả để bù lại các hạn chế của phần cứng.

1.4.2 Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao Phương thức hoạt động chính của các thiết bị trong mạng cảm biến là cảm biến và vận chuyển các dòng thông tin với khối lượng xử lý thấp, gồm các hoạt động nhận một lệnh, dừng, phân tích và đáp ứng lại. Ví dụ, thông tin cảm biến có thể được thu nhận đồng thời bởi các cảm biến, được thao tác và truyền lên mạng. Hoặc dữ liệu có thể được node cảm biến nhận từ các node cảm biến khác và được hướng tới định tuyến đa liên kết hay liên kết cầu. Vì dung lượng bộ nhớ trong nhỏ nên việc đệm một khối lượng lớn dữ liệu giữa dòng vào và dòng ra là không khả thi. Hơn nữa, mỗi dòng lại tạo ra một số lượng lớn các sự kiện mức thấp xen vào hoạt động xử lý mức cao. Một số hoạt động xử lý mức cao sẽ kéo dài trên nhiều sự kiện thời gian thực. Do đó, các node mạng phải thực hiện nhiều công việc đồng thời và cần phải có sự tập trung xử lý cao độ.

1.4.3 Khả năng liên kết vật lý và phân cấp điều khiển hạn chế Số lượng các bộ điều khiển độc lập, các khả năng của bộ điều khiển, sự tinh vi của liên kết xử lý - lưu trữ - chuyển mạch trong mạng cảm biến thấp hơn nhiều trong các hệ thống thông thường. Điển hình, bộ cảm hay bộ truyền động (actuator) cung cấp một giao diện đơn giản trực tiếp tới một bộ vi điều khiển chip đơn. Ngược lại, các hệ thống thông thường, với các hoạt động xử lý phân tán, đồng thời kết hợp với một loạt các thiết bị trên nhiều mức điều khiển được Đỗ ngọc Anh - D2001VT

- 10 -



liên hệ bởi một cấu trúc bus phức tạp. Các hạn chế về kích thước và công suất, khả năng định hình vật lý trên vi mạch bị giới hạn có chiều hướng cần hỗ trợ quản lý dòng đồng thời, tập trung nhờ bộ xử lý kết hợp.

1.4.4 Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng Các thiết bị cảm biến được nối mạng có khuynh hướng dành riêng cho ứng dụng cụ thể, tức là mỗi loại phần cứng chỉ hỗ trợ riêng cho ứng dụng của nó. Vì có một phạm vi ứng dụng cảm biến rất rộng nên cũng có thể có rất nhiều kiểu thiết bị vật lý khác nhau. Với mỗi thiết bị riêng, điều quan trọng là phải dễ dàng tập hợp các thành phần phần mềm để có được ứng dụng từ các thành phần phần cứng. Như vậy, các loại thiết bị này cần một sự điều chỉnh phần mềm ở một mức độ nào đó để có được hiệu quả sử dụng phần cứng cao. Môi trường phát triển chung là cần thiết để cho phép các ứng dụng riêng có thể xây dựng trên một tập các thiết bị mà không cần giao diện phức tạp. Ngoài ra, cũng có thể chuyển đổi giữa phạm vi phần cứng với phần mềm trong khả năng công nghệ.

1.4.5 Hoạt động tin cậy Các thiết bị có số lượng lớn, được triển khai trong phạm vi rộng với một ứng dụng cụ thể. Việc áp dụng các kỹ thuật mã hóa sửa lỗi truyền thống nhằm tăng độ tin cậy của các đơn vị riêng lẻ bị giới hạn bởi kích thước và công suất. Việc tăng độ tin cậy của các thiết bị lẻ là điều cốt yếu. Thêm vào đó, chúng ta có thể tăng độ tin cậy của ứng dụng bằng khả năng chấp nhận và khắc phục được sự hỏng hóc của thiết bị đơn lẻ. Như vậy, hệ thống hoạt động trên từng node đơn không những mạnh mẽ mà còn dễ dàng phát triển các ứng dụng phân tán tin cậy.

1.5 Kiến trúc và giao thức mạng cảm biến không dây Ngăn xếp giao thức được sử dụng trong bộ thu nhận (node Sink) và tất cả các node cảm biến được minh họa trong hình 1.3. Ngăn xếp 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 node cảm biến. Ngăn xếp 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). Đỗ ngọc Anh - D2001VT

- 11 -



Hình 1.3: Ngăn xếp giao thức mạng cảm biến không dây

Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các kiểu phần mềm ứng dụng có thể được xây dựng và sử dụng trên lớp ứng dụng. Lớp giao vận giúp duy trì dòng số liệu khi các ứng dụng của mạng cảm biến yêu cầu. Lớp mạng tập trung vào việc định tuyến số liệu được cung cấp bởi lớp giao vận. Do môi trường có nhiễu và các node cảm biến có thể di động được, giao thức MAC phải được tính toán về năng lượng và tối thiểu hóa va chạm trong việc phát quảng bá với các node lân cận. Lớp vật lý sử dụng các kỹ thuật điều chế, truyền và nhận cần thiết đơn giản nhưng mạnh mẽ. Thêm vào đó, các mặt bằng quản lý năng lượng, di động và nhiệm vụ điều khiển sự phân phối năng lượng, phối hợp di chuyển và nhiệm vụ giữa các node cảm biến. Các mặt bằng này giúp cho các node cảm biến có thể phối hợp trong nhiệm vụ cảm biến và giảm được tổng năng lượng tiêu thụ. Mặt bằng quản lý năng lượng quản lý việc một node cảm biến sử dụng năng lượng của nó như thế nào. Ví dụ, node cảm biến có thể tắt bộ phận nhận sau khi nhận một bản tin từ một trong các node lân cận. Điều này có thể tránh được việc nhận bản tin tới hai lần. Ngoài ra, khi mức năng lượng của node cảm biến thấp, node cảm biến sẽ thông báo tới tất cả các node lân cận rằng mức năng lượng thấp của nó đã thấp nên nó không thể tham gia vào việc định tuyến cho các bản tin. Năng lượng còn lại được dự trữ cho việc cảm biến. Mặt bằng quản lý di động dò tìm và ghi lại chuyển động của node cảm biến, vì thế một tuyến đường hướng tới node user luôn được duy trì và các node cảm biến có thể theo dõi được các node cảm biến lân cận. Với việc nhận biết được các node cảm biến lân cận, node cảm biến có thể cân bằng giữa nhiệm vụ và năng lượng sử dụng. Mặt Đỗ ngọc Anh - D2001VT

- 12 -



bằng quản lý nhiệm vụ cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến cho một vùng cụ thể. Không phải tất cả các cảm biến trong vùng đó được yêu cầu thực nhiệm vụ cảm nhận tại cùng một thời điểm. Kết quả là một vài node cảm biến thực hiện nhiệm vụ nhiều hơn các node khác tuỳ theo mức năng lượng của chúng. Những mặt quản lý này rất cần thiết, như vậy, các node cảm biến có thể làm việc cùng với nhau để có hiệu quả về mặt năng lượng, có thể định tuyến số liệu trong một mạng cảm biến di động và chia sẻ tài nguyên giữa các node cảm biến. Nếu không, mỗi node cảm biến sẽ chỉ làm việc một cách đơn lẻ. Xuất phát quan điểm xem xét trong toàn mạng cảm biến, sẽ hiệu quả hơn nếu các node cảm biến có thể hoạt động hợp tác với nhau, như thế cũng có thể kéo dài tuổi thọ của mạng.

1.5.1 Lớp ứng dụng Mặc dù nhiều lĩnh vực ứng dụng cho mạng cảm biến được vạch rõ và được đề xuất, các giao thức lớp ứng dụng còn tiềm tàng cho mạng cảm biến vẫn còn là một vùng rộng lớn chưa được khám phá. Trong phần này, chúng ta sẽ khảo sát ba giao thức lớp ứng dụng quan trọng là giao thức quản lý cảm biến SMP (Sensor Management Protocol), giao thức phân nhiệm vụ và quảng cáo số liệu TADAP (Task Assignment and Data Advertisement Protocol), giao thức truy vấn cảm biến và phổ biến số liệu SQDDP (Sensor Query and Data Dissemination Protocol), rất cần thiết cho mạng cảm biến trên cơ sở những sơ đồ được đề xuất có liên quan tới những lớp khác và các lĩnh vực ứng dụng mạng cảm biến. Tất cả các giao thức lớp ứng dụng này đều là những vấn đề nghiên cứu có tính mở.

1.5.2 Lớp giao vận Lớp giao vận cung cấp các dịch vụ tổ chức liên lạc đầu cuối từ các node cảm biến có báo cáo cần chuyển tới node thu nhận (Sink) và node người sử dụng. Lớp giao vận đặc biệt cần thiết khi hệ thống có kế hoạch truy nhập thông qua Internet hoặc những mạng bên ngoài khác. Giao thức TCP với cơ chế cửa sổ truyền dẫn chưa phù hợp với đặc trưng của môi trường mạng cảm biến hiện nay. Do đó, việc thiết lập một liên kết đầu cuối từ các node cảm biến trực tiếp đến node quản lý của người sử dụng là không hiệu quả. Phương pháp phân tách TCP là cần thiết để mạng cảm biến tương tác với các mạng khác ví dụ như Internet. Trong phương pháp này, kết nối TCP được sử dụng để liên lạc giữa node quản lý của người sử dụng và node thu nhận (Sink) và một giao thức lớp giao vận phù hợp với môi trường mạng cảm biến được sử dụng cho truyền thông giữa node Đỗ ngọc Anh - D2001VT

- 13 -



thu nhận và các node cảm biến. Kết quả là truyền thông giữa node người sử dụng và node thu nhận có thể sử dụng giao UDP hoặc TCP thông qua Internet hoặc qua vệ tinh. Mặt khác, việc truyền thông giữa node thu nhận và các node cảm biến chỉ sử dụng hoàn toàn các giao thức kiểu như UDP, bởi vì các node cảm biến có bộ nhớ hạn chế. Không giống các giao thức kiểu như TCP, các phương pháp truyền thông đầu cuối (end to end) trong mạng cảm biến không địa chỉ toàn cục. Các phương pháp này dựa trên việc đặt tên thuộc tính cơ sở để chỉ ra điểm đích của gói số liệu. Các nhân tố như tiêu thụ năng lượng, khả năng mở rộng và các đặc trưng như định tuyến tập trung số liệu khiến cho mạng cảm biến cần phải có những cơ chế khác trong lớp giao vận. Yêu cầu này nhấn mạnh sự cần thiết của những loại giao thức mới ở lớp giao vận.

1.5.3 Lớp mạng Các node cảm biến được phân bố dày đặc trong một trường ở gần hoặc ở ngay bên trong các hiện tượng mục tiêu như trong hình 1.1. Giao thức định tuyến không dây đa bước phù hợp giữa node cảm biến và node Sink là cần thiết. Kỹ thuật định tuyến trong mạng Ad hoc thông thường không phù hợp những yêu cầu của mạng cảm biến. Lớp mạng của mạng cảm biến được thiết kế theo những nguyên tắc sau : -

Hiệu suất năng lượng luôn là yếu tố quan trọng. Hầu hết các mạng cảm biến là số liệu tập trung. Việc tập hợp số liệu chỉ được thực thi khi nó không cản trở hoạt động hợp tác của các node cảm biến. Một mạng cảm biến lý tưởng phải nhận biết được việc đánh địa chỉ thuộc tính cơ sở và vị trí.

1.5.4 Lớp liên kết số liệu Lớp liên kết số liệu chịu trách nhiệm ghép kênh cho các dòng số liệu và tách khung số liệu, điều khiển truy nhập môi trường và sửa lỗi. Nó đảm bảo sự tin cậy cho kết nối điểm - điểm (Point to Point) và điểm - đa điểm (Point to Multipoint) trong mạng truyền thông. Hai phần dưới sẽ trình bày về chiến lược truy nhập môi trường truyền dẫn và điều khiển sửa lỗi cho mạng cảm biến.


- 14 -



1.5.5 Lớp vật lý Lớp vật lý chịu trách nhiệm lựa chọn tần số, tạo tần số mang, tách sóng, điều chế và mã hoá số liệu. Kế hoạch chọn tần số đã được trình bày trong bảng 1.2. Việc tạo tần số và tách sóng thuộc phạm vi thiết kế phần cứng và bộ thu phát nên sẽ không được xem xét ở đây. Các phần tiếp theo sẽ chú trọng về các hiệu ứng phát sóng, hiệu suất năng lượng và các phương pháp điều chế trong mạng cảm biến. Hiển nhiên là truyền thông vô tuyến với khoảng cách xa là rất tốn kém xét cả về năng lượng và độ phức tạp của hoạt động. Trong khi thiết kế lớp vật lý cho mạng cảm biến, việc tối thiểu hoá năng lượng được coi là rất quan trọng, ngoài ra còn các vấn đề về suy hao, phát tán, vật cản, phản xạ, nhiễu, các hiệu ứng fading đa đường. Thông thường, công suất đầu ra tối thiểu để chuyển một tín hiệu qua một khoảng cách d tỷ lệ với d n , trong đó 2 ≤ n < 4. Số mũ n gần 4 với antenna tầm thấp và các kênh gần mặt đất điển hình trong mạng cảm biến. Nguyên nhân là do sự triệt tiêu một phần tín hiệu bởi tia phản xạ mặt đất. Để giải quyết vấn đề này, người thiết kế phải hiểu rõ các đặc tính đa dạng cố hữu và khai thác chúng một cách triệt để. Ví dụ, truyền thông qua nhiều bước nhảy trong mạng cảm biến có thể vượt qua một cách hiệu quả các vật chắn và các hiệu ứng suy hao đường truyền nếu mật độ node mạng đủ lớn. Tương tự, trong khi suy hao đường truyền và dung lượng kênh hạn chế độ tin cậy của số liệu thì nhờ đó ta có thể sử dụng lại tần số theo không gian. Dải tần (kHz)

Tần số trung tâm (kHz)

6765 - 6795

6780

12.553 - 13.567

14

26.957 - 27.283

27

40.66 - 40.70

40.68

433.05 - 434.79

433.92

902 - 928

915

2400 - 2500

2450

5725 - 5875

5800

24 - 24.25

24

61 - 61.5

61.25

122 - 123

122.5

244 - 246

245

Bảng 1.1: Các dải tần dành cho các ứng dụng Công nghiệp, khoa học và y tế ISM (Industrial, Scientific and Medical) Đỗ ngọc Anh - D2001VT

- 15 -



Việc lựa chọn phương thức điều chế tốt để là vấn đề quyết định đối với sự tin cậy trong truyền thông của mạng cảm biến. Trong khi một phương pháp điều chế cơ số M có thể giảm có thể giảm thời gian truyền dẫn bằng việc gửi nhiều bit trên một kí hiệu thì nó lại làm tăng độ phức tạp của mạch điện và tăng công suất vô tuyến. Với điều kiện công suất khởi kích vượt trội thì phương pháp điều chế cơ số hai có hiệu quả về năng lượng hơn. Vì thế, phương pháp điều chế cơ số M chỉ có lợi với các hệ thống có công suất khởi kích thấp. Thiết bị băng tần cực rộng UWB (Ultrawideband) hay vô tuyến xung IR (Impulse Radio) từng được sử dụng cho hệ thống radar xung băng tần gốc và các hệ thống đo khoảng cách, gần đây được chú ý trong các ứng dụng thông tin đặc biệt là các mạng không dây trong nhà. UWB truyền dẫn với băng tần gôc nên không cần các tần số mang hoặc trung tần. Thông thường, điều chế vị trí xung được sử dụng. Ưu điểm chính của UWB là khả năng mau phục hồi với đối với hiên tượng phát đa đường. Việc sử dụng công suất truyền thông thấp và thiết kế mạch đơn giản đã làm cho UWB rất thích hợp với các mạng cảm biến.

1.6 Các hỗ trợ truyền thông cho mạng cảm biến không dây 1.6.1 Hệ điều hành TinyOS Hệ điều hành TinyOS cung cấp các khái niệm trừu tượng các thiết bị vật lý rất thuận tiện và những thực thi phối hợp mức cao các nhiệm vụ chung. Mục đích này là thách thức đặc biệt bởi vì sự ràng buộc ngữ cảnh tài nguyên và các thiết bị ứng dụng riêng biệt cao. Một ứng dụng TinyOS bao gồm một bộ lập lịch (scheduler) và các thành phần (component). Mỗi một thành phần được mô tả bởi giao diện của nó và sự thực thi bên trong của nó, trong một kiểu tương tự như các ngôn ngữ mô tả phần cứng, giống như VHDL (VHSIC(Mạch tích hợp mật độ rất cao) Hardware Description Language) và Verilog (một công cụ mô phỏng số các Cadence Design System). Một giao diện bao gồm các lệnh đồng bộ và các sự kiện không đồng bộ. Mỗi thành phần có giao diện cao hơn bên trên để đặt tên cho các lệnh để thực thi và các sự kiện để báo hiệu, và một giao diện thấp hơn mà nó đặt tên cho các lệnh để sử dụng và các sự kiện để điều khiển. Sự thực thi này được viết nên nhờ sử dụng không gian tên giao diện. Một thành phần cũng có phần lưu trữ nội bộ, được cấu trúc thành một khung, và trùng hợp nội bộ, trong một khuôn dạng các luồng trọng lượng rất nhẹ gọi là các tác vụ (task). Các bộ điều khiển lệnh, sự kiện và tác vụ được khai báo rõ ràng trong nguồn tài nguyên. Các vùng Đỗ ngọc Anh - D2001VT

- 16 -



trọng tâm nơi một lệnh bên ngoài được gọi, được báo hiệu sự kiện, hoặc được gửi tác vụ, cũng rất rõ ràng trong các đoạn mã tĩnh, giống như là các đoạn tham khảo tới phần lưu trữ khung. Mô tả các ứng dụng riêng rẽ chỉ ra rằng làm thế nào để các giao diện cùng mức hình thành tổng thể kết cấu ứng dụng. Một sự kiện có thể được phát tán tới nhiều thành phần hoặc nhiều thành phần có thể sử dụng cùng một lệnh. Vì vậy, dù ứng dụng là các module, bộ biên dịch vẫn có thông tin tĩnh để sử dụng trong quá trình tối ưu hóa chéo qua toàn ứng dụng (entire application), bao gồm cả hệ thống vận hành. Để bổ xung, mô hình thực thi thời gian thực và mô hình lưu trữ mức duới có thể được tối ưu hoá cho các nền tảng cụ thể. Một lược đồ ứng dụng điển hình được chỉ trong hình 1.4, chứa đựng một ngăn xếp vô tuyến, một ngăn xếp cổng nối tiếp UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter), các ngăn xếp cảm biến, và node mở mạng mức cao hơn, và định tuyến chuyên dụng để hỗ trợ bộ thu dữ liệu cảm biến phân tán. Ứng dụng nguyên khối này chiếm dụng khoảng 3Kb. Mô hình trùng hợp TinyOS (TinyOS concurrency model) là một mô hình phân cấp lập lịch hai mức, ở đó các sự kiện đón trước các tác vụ, và các tác vụ này không đón trước các tác vụ khác. Phần lớn cách hoạt động nằm trong một dạng các chuyển giao trạng thái nonblocking . Trong vòng một tác vụ, các lệnh có thể được gọi tới, một lệnh có thể gọi các lệnh cấp dưới, hoặc nó có thể đẩy các tác vụ tiếp tục làm việc hợp lý song song với các lời triệu gọi của nó. Theo quy ước, tất cả các lệnh trả về một chỉ thị trạng thái sau dù lệnh đã được công nhận hay không, để cung cấp một cái bắt tay (handshake) đầy đủ. Do đó tất cả các thành phần đều có giới hạn lưu trữ, một thành phần có thể cho phép từ trối các lệnh. Một lệnh có thể khởi tạo một toán tử, ví dụ, nhờ truy cập đến một cảm biến hoặc gửi một thông báo, di chuyển toán tử được tải ra ngoài đồng thời với các kích hoạt khác, nhờ sử dụng song song phần cứng hoặc các tác vụ. Các sự kiện được khởi tạo tại mức thấp nhất nhờ các ngắt phần cứng. Các sự kiện có thể báo hiệu cho các sự kiện ở mức cao hơn, gọi các lệnh, hoặc đẩy lên các tác vụ. Các lệnh không thể báo hiệu cho các sự kiện. Dù vậy, một sự kiện riêng rẽ có thể truyền qua nhiều mức các thành phần, gây ra kích hoạt phụ. Mỗi khi công việc không thể hoàn tất trong một khoảng thời gian nhỏ có giới hạn, thành phần có thể ghi lại thông tin liên tục trong khung làm việc của nó và đẩy lên một tác vụ để hoàn thành công việc. Theo quy ước, các thành phần trừu tượng hoá phần cứng mức thấp thực thi quá trình ngắt vừa đủ để cho phép các ngắt hoạt động trước khi báo hiệu sự kiện. Các sự kiện (hoặc các tác vụ được Đỗ ngọc Anh - D2001VT

- 17 -



đẩy lên trong vòng các sự kiện) thực hiện các hoạt động split-phase được khởi tạo bởi các lệnh, báo hiệu đến thành phần mức cao hơn để hoạt động được hoàn thành và có thể thông qua dữ liệu của nó.

Hình 1.4: Một biểu đồ thành phần ứng dụng mạng

Bản tin kích hoạt (AM - Active Message) là một kiểu đơn giản, mở rộng cho truyền thông dựa trên bản tin (message-based) nhờ sử dụng các cuộc gọi thủ tục. Mỗi thông điệp chứa đựng tên một điều khiển được triệu gọi tới một node đích theo hướng đến, và một tải trọng dữ liệu. Chức năng điều khiển handler phục vụ cho hai mục đích là lấy bản tin từ mạng và kết hợp dữ liệu vào đến máy tính hoặc gửi đi một đáp ứng. Kiểu truyền thông AM là kiểu điều khiển sự kiện và được thiết kế riêng cho phép một ngăn xếp truyền thông rất nhỏ để xử lý trực tiếp các gói ra khỏi mạng, trong khi đó nó hỗ trợ một dải rộng các ứng dụng. Khởi tạo một AM bao gồm các chỉ định về các đối số dữ liệu, đánh tên điều khiển handle, yêu cầu truyền dẫn, dò tìm đầy đủ hướng truyền đi. Quá trình nhận AM bao gồm triệu gọi điều khiển handle trên một bản sao của dữ liệu truyền đi. Lệnh bản tin gửi đi nhận dạng các phía nhận theo yêu cầu, điều khiển handle sẽ xử lý bản tin gửi hướng đến và bộ đệm bản tin đầu ra nguồn trong khung nội hạt. Một bản đăng ký điều khiển handle được giữ lại, và bộ nhận dạng cho điều khiển handle tên được lấy ra. Bắt tay (handshake) trạng thái cho lệnh này minh họa khái niệm tổng quát các thành phần quản lý giới hạn các tài nguyên của chúng.


- 18 -



Thành phần bản tin có thể từ chối yêu cầu gửi đi, ví dụ, nếu nó đang bận truyền đi hoặc nhận một bản tin và không có các tài nguyên mà gửi đến hàng đợi được yêu cầu. Để phản hồi lại sự kiện này là các chỉ định ứng dụng. Sự kiện bản tin đến tương tự với các sự kiện khác. Một sự khác biệt chính là thành phần AM phát đi sự kiện đến thành phần với điều khiển handle bản tin kết hợp. Nhiều thành phần có thể đăng ký một hoặc nhiều điều khiển handle bản tin. Ngoài ra, đầu vào bộ điều khiển handle là một tham khảo đến một bộ đệm bản tin được cung cấp bởi thành phần AM. Quản lý lưu trữ bộ đệm là một vấn đề khó khăn trong một ngăn xếp truyền thông bởi vì lý do sau phải được thảo luận: -

Đóng gói dữ liệu sử dụng với thông tin header và trailer vận chuyển. Xác định khi nào việc lưu trữ dữ liệu bản tin đi có thể được dừng lại, và Cung cấp một bộ đệm đầu vào cho một bản tin đến trước khi bản tin này được kiểm tra, để xác định nơi nó đến.

Lớp AM Tiny cung cấp các gốc nguyên thuỷ đơn giản cho việc quyết định đến các ý kiến trên với việc không cần sao chép lại và việc quản lý lưu trữ rất đơn giản. Bộ đệm có một kiểu định nghĩa trong khung cung cấp các trường cho quá trình tóm lược đặc trưng của hệ thống, giống như thông tin định tuyến và phát hiện lỗi. Các trường này được sử dụng giống như là các gói chuyển xuống ngăn xếp, đúng hơn là các con trỏ hoặc việc sao chép sau. Các thành phần ứng dụng chỉ đề cập đến các trường dữ liệu hoặc toàn bộ đệm. Các tham chiếu đến bộ đệm bản tin chỉ là các con trỏ được mang qua các biên giới thành phần trong TinyOS. Trước khi lệnh gửi được gọi, bộ đệm truyền dẫn được quan tâm được mạng sở hữu chưa cho đến khi thành phần bản tin báo hiệu rằng sự truyền dẫn được hoàn thành. Cơ cấu cho quyền sở hữu theo dõi là đặc trưng ứng dụng. Các bộ điều khiển handle bản tin nhận một tham chiếu đến một bộ sở hữu hệ thống, rất khác biệt so với khung của nó. Cách thức hoạt động điển hình là xử lý thông tin trong bản tin và trả lại cho bộ đệm. Tổng quát, bộ đệm điều khiển handle phải trả về một tham chiếu đến một bộ đệm trống. Nó có thể giữ lại bộ đệm mà nó được cấp bởi hệ thống và trả lại một tham chiếu cho một bộ đệm khác, mà là của riêng nó. Một trường hợp đặc biệt chung của viễn kịch này là một bộ điều khiển handle tạo nên một thay đổi nhỏ đến một bản tin đi đến và truyền phát lại nó. Chúng ta có thể ngăn ngừa việc sao chép phần còn lại của bản Đỗ ngọc Anh - D2001VT

- 19 -



tin, tuy nhiên, chúng ta không thể giữ lại quyền sở hữu bộ đệm cho truyền phát và trả về cho cùng bộ đệm đến hệ thống. Giống như một thành phần khai báo một bộ dệm bản tin và con trỏ bộ đệm bản tin trong khung của nó. Bộ điều khiển handle thay đổi bộ đệm vào và trao đổi quyền sở hữu bộ đệm với hệ thống. Nếu bộ đệm truyền phát trước của nó vẫn bận, mọt trong hai toán tử phải được khia báo. Một thành phần đang thi hành biên dịch lại từ nhiều gói có thể có thể sở hữu nhiều bộ đệm như vậy. Trong một vài trường hợp, việc quản lý lưu trữ bộ đệm run-time được giảm nhẹ bằng việc hoán đổi con trỏ đơn giản. AM Tiny được sử dụng để hỗ trợ các node mở mạng động và đa trạm, định tuyến ad hoc. Nút mở có thể được khởi tạo từ nhiều node, nhưng thường nó là các gốc tại các node gateway cung cấp kết nối đến mạng đã thoả thuận. Mỗi gốc truyền dẫn định kỳ một bản tin mang các ID của nó và khoảng cách distance, có giá từ 0 đến khoảng cách với node láng riêng của nó. Bộ điều khiển handle bản tin kiểm tra dù có nguồn hay không là node thân thiết mà nó đã lắng nghe cách đấy không lâu (ví dụ trong giai đoạn phát hiện hiện tại) và nếu vậy, nó ghi lại ID nguồn giống như gốc multi-hop, gia tăng khoảng cách và truyền phát ại bản tin với ID của riêng nó giống như nguồn. Thành phần phát hiện tận dụng việc hoán đổi bộ đệm. Các gói được định tuyến lên trên cây sau. Một node đang truyền phát dữ liệu để được định tuyến chỉ rõ một đa trạm đang tiến vào bộ điều khiển handle và nhận dạng cha của nó giống như nơi nhận. Bộ điều khiển handle sẽ “đốt cháy” một trong các node bên cạnh. Các node cha truyền phát các gói đến gốc của nó, sử dụng hoán đổi bộ đệm. Các node láng riêng khác đơn giản là loại bỏ gói. Do vậy dữ liệu được định tuyến hop-by-hop đến gốc. Các toán tử reduction có thể được hình thành nhờ tích luỹ dữ liệu từ nhiều node con trước khi truyền đi một gói lên cây. Thuật toán phát hiện không tối ưu bởi vì có sự dư thừa trong dạng sóng phát hiện hướng gửi đi và có thể được cải tiến bởi quá trình lựa chọn cluster leaders hoặc truyền dẫn lại cảnh báo trước với nhiều xác suất có quan hệ nghịch đảo với số lượng node con (sibling). Mặt khác, pha phát hiện có thể được loại trừ hoàn toàn nhờ quá trình mang (piggybacking) thông tin về khoảng cách trên các bản tin dữ liệu cảm biến. Khi một node nhận một gói từ một node, mà ít hơn các hop từ trạm gốc, nó nhận node nguồn làm gốc của nó. Node gốc truyền dẫn đơn giản một gói từ chính chúng để phát triển cây định tuyến. Các node cũng phải định rõ khoảng cách hiện tại của chúng để thích nghi với những thay đổi trong topology Đỗ ngọc Anh - D2001VT

- 20 -



mạng vì những thay đổi về chuyển động và truyền phát tín hiệu. Các ví dụ này minh họa bước truyền thông cơ bản nhờ vào đó các thuật toán phân tán cho các mạng không dây nhúng được dựa vào: quá trình nhận một gói, biến đổi nó, và có khả năng lựa chọn truyền dẫn lại nó hoặc không. Quá trình truyền phát lại ngắt quãng (squelching retransmission) hình thành một dạng sóng hướng gửi đi trong discovery và hình thành một beam trên định tuyến multi-hop. Trong các thuật toán này cấu trúc dữ liệu cho việc quyết định quyết định truyền dẫn lại hay không là một bộ đệm cache của các gói gần đấy. Một thách thức là để chuyển các dữ liệu bản tin từ bộ đệm lưu trữ đến module vật lý của kênh không cần phải tạo ra toàn bộ các bản sao, và tương tự trong hướng ngược lại. Một mẫu hình chung mà đã nổi lên là một chiếc bơm dữ liệu cross-layer data pump. Chúng ta tìm thấy điều này tại mỗi lớp của ngăn xếp trong hình 1.4. Thành phần cao hơn có một đơn vị của dữ liệu được phân vùng vào trong các đơn vị con. Thành phần thấp hơn được hiểu rằng nó đã chấp nhận đơn vị con và khi nó sẵn sàng cho thành phần kế tiếp, nó báo hiệu một sự kiện đơn vị con. Điều này được thực hiện nhờ gọi lệnh đơn vị con kế tiếp trong khi bộ điều khiển handle sẵn sàng làm việc. Lớp bản tin là một bộ đệm gói hiệu quả. Lớp packet mã hoá và sắp xếp điều chỉnh gói, bơm nó theo kiểu byte by byte vào lớp byte. Trên lớp UART, khái niệm trừu tượng byte-by-byte được thực hiện trực tiếp trên phần cứng. Ngược lại trên kênh vô tuyến lớp byte bơm dữ liệu bit by bit lên lớp vô tuyến. Một trong số các thành phần tận dụng khung, lệnh, và framework sự kiện để xây dựng một cơ cấu trạng thái phần mềm bản đăng ký lại. Trong một mạng tập hợp dữ liệu đa trạm, mỗi một node truyền phát dữ liệu của riêng nó từ time to time, và lắng nghe trong khoảng thời gian còn lại để dữ liệu mà nó yêu cầu chuyển theo hướng một node sink. Mặc dù truyền dẫn kích hoạt là chế độ tập trung nguồn nhiều nhất, hầu hết các máy phát vô tuyến tiêu thụ một phần đáng kế nguồn năng lượng truyền dẫn khi máy vô tuyến đang hoạt động và không nhận bất kỳ tín hiệu nào. Trong các mạng đặc biệt, một thiết bị truyền dẫn cho các chu kỳ thời gian ngắn, nhưng phải lắng nghe liên tục để chuyển dữ liệu đến các node láng riềng. Mức tiêu thụ năng lượng tổng của một thiết bị chi phối bởi chi phí thu nhận RF. Mức tiêu thụ nguồn có thể được giảm nhờ sử quá trình thu nhận định kỳ. Nhờ tạo ra chu kỳ thời gian khi quá trình truyền phát không được phép, các node phải lắng nghe chỉ trong khoảng thời gian làm việc. Phương pháp này làm việc tốt Đỗ ngọc Anh - D2001VT

- 21 -



khi dải tỷ lệ thời gian của các chu kỳ không hợp lệ có quan hệ không lớn lắm với thời gian truyền phát bản tin. Downside của phương pháp này mà bị giới hạn là việc sử dụng băng tần. Trong mạng cảm biến, một node có thể làm việc như một bộ định tuyến hoặc điểm xử lý dữ liệu, và có thể cần thiết cho việc sử dụng đầy đủ băng tần vô tuyến. Quá trình thu nhận nguồn thấp tuân theo cùng khái niệm chu kỳ công suất thu, nhưng không làm giảm theo tỷ lệ thời gian. Để giảm hơn nữa mức tiêu thụ nguồn trung bình của mạng, quá trình thu nhận nguồn thấp có thể được kết hợp với quá trình thu nhận tuần hoàn. Thực thi thời cả các kế hoặc tạo ra kết quả đồng thời trong quá trình thu nhận tại mức nguồn được giảm chỉ cho một phần thời gian, và các mức giảm nguồn nhân lên. Kỹ thuật này cung cấp một cơ cấu cho băng tần thương mại và chi phí truyền phát cho một mức giảm trong mức tiêu thụ nguồn nhận. Phần cứng kết nối trực tiếp từ bộ vi điều khiển trung tâm đến máy thu phát vô tuyến. Điều này thay thể tất cả các yêu cầu thời gian thực của máy vô tuyến đên bộ vi điều khiển, nó điều khiển tất cả các bit mà được truyền phát hoặc thu trong thời gian thực. Thêm nữa, nó điều khiển định thời mỗi bit để những jitter trong các tín hiệu điều khiển mà nó sinh ra được truyền phát thành tín hiệu truyền phát. Ngăn xếp truyền thông TinyOS điều khiển các ràng buộc này trong khi cho phép các chức năng mức cao hơn được tiếp tục thực hiện song song. Tại gốc ngăn xếp thành phần là một cơ cấu trạng thái để thực hiện định thời bit. Thành phần nguyên khối RFM (RF Monolithic) truyền dẫn một bit đơn tại một thời điểm đi hoặc đến bộ thu phát vô tuyến RFM. Với một kiểu truyền phát đúng xuất hiện, bit được truyền dẫn phải được đặt và giữ trên đường TX (đầu ra dữ liệu) của máy thu phát vô tuyến cho một khoảng thời gian bit chính xác, ví dụ, khoảng 100µ s. Với hướng thu, đường thu RX (đầu thu dữ liệu) của máy vô tuyến phải được lấy mẫu tại điểm trung bình của chu kỳ truyền dẫn. Máy thu phát vô tuyến không hỗ trợ khả năng quyết định khi các khoảng thời gian bit được hoàn thành. Giao diện đến thành phần RFM hình thành một bộ bơm dữ liệu thực thi một kiểu truyền dẫn bit-by-bit từ một thành phần mức byte (byte-level) đến phần cứng vật lý. Đê bắt đầu quá trình truyền phát dữ liệu, một lệnh được phát ra từ thành phần RFM đến bộ chuyển mạch chọn chế độ truyền dẫn. Sau đó một lệnh thứ hai được sử dụng để truyền một bit đơn xuống thành phần RFM. Bit này Đỗ ngọc Anh - D2001VT

- 22 -



được đặt ngay lập tức vào đường truyền phát. Sau khoảng 100µ s trôi qua, thành phần RFM báo hiệu một sự kiện để biểu thị rằng nó đã sẵn sàng cho bit khác. Đáp ứng của thành phần mức byte đưa ra lệnh khác đến thành phần RFM chứa đựng bite kế tiếp. Sự tương tác này giữa quá trình báo hiệu một sự kiện và quá trình nhận bit kế tiếp vẫn tiếp tục diễn ra cho đến khi quá trình truyền toàn bộ gói được hoàn thành. Thành phần lớp RFM đã trừu tượng hóa các giới hạn thời gian thực (real-time deadline) của tiến trình truyền phát từ các thành phần lớp cao hơn. Trong suốt quá trình truyền phát, quá trình mã hoá phức hợp được thực hiện trên mỗi byte trong khi đồng thời nhận các yêu cầu thời gian thực chính xác của lớp bit. Quá trình mã hoá cho một byte đơn chiếm dụng thời gian dài hơn thời gian truyền dẫn của một bit đơn. Để đảm bảo rằng dữ liệu mã hoá sẵn sàng trong khoảng thời gian nhận giới hạn quá trình truyền phát (transmission deadline). Tiến trình mã hoá cho các byte kế tiếp bắt đầu trước khi kết thúc quá trình truyền phát byte hiện tại. Cơ cấu tác vụ TinyOS thực thi quá trình mã hoá trong khi vẫn thực hiện đồng thời quá trình truyền phát dữ liệu trước. Do quá trình mã hoá dữ liệu một byte trong phần sớm pha của quá trình truyền phát, bộ đệm được sử dụng để tách biệt định thời mức bit từ tiến trình mã hoá byte. Quá trình nhận dữ liệu mang cùng dạng giống với quá trình phát, trừ ra rằng nơi bộ nhận đầu tiên phải phát hiện ra một quá trình truyền trong khoảng bắt đầu và quyết định định thời truyền phát. Để hoàn thành nó, khi chế độ kích hoạt trên kênh vô tuyến, thành phần lớp RFM bố trí lấy mẫu các bit trong các khoảng thời gian là 50µ s, lấy mẫu gấp đôi mỗi byte. Thành phần mức byte tạo ra một bộ đệm con (sliding buffer) các bit này có giá trị chứa đựng 18 bit cuối cùng. Khi giá trị của phía nhận 18 bit cuối so sánh với ký hiệu bắt đầu đã được chỉ rõ, điểm bắt đầu của một gói được phát hiện. Thêm nữa, định thời của gói được quyết định trong nửa một khoảng thời gian bit. Kế tiếp, lớp RFM lấy mẫu một bit đơn sau 75µ s. Vì mẫu kế tiếp được sắp xếp trong phần giữa cửa số bit kế tiếp, tại nửa giữa nơi mà lấy mẫu gấp đôi xảy ra nếu chu kỳ lấy mẫu vẫn giữ nguyên tại 50µ s. Sau đó RFM lấy mẫu cứ sau mỗi 100µ s cho phần còn lại của gói. Trong các hệ thống nhúng vô tuyến, đường truyền thông đến các thiết bị là một kênh chia sẻ, nó phải được chia sẻ có hiệu quả trong ngữ cảnh xử lý ràng buộc tài nguyên và định tuyến Ad hoc multi-hop. Nhiều ứng dụng yêu cầu rằng các node phải có khả năng ngang bằng nhau để chuyển dữ liệu qua mạng, mà không quan tâm đến vị trí trong topology mạng. Các thành phần truyền thông Đỗ ngọc Anh - D2001VT

- 23 -



TinyOS mức thấp được mở rộng với một giao thức điều khiển truy nhập môi trường (MAC) nhận biết năng lượng (energy-aware) và sử dụng một kỹ thuật đơn giản cho điều khiển tốc độ tương thích đặc tả ứng dụng. Các giao thức MAC phải được thi hành trên bộ vi điều khiển trùng hợp với các thao tác khác. Máy thu phát vô tuyến RF cần hỗ trợ phát hiện xung đột, vì thế lược đồ CSMA (Carrier Sense Multiple Access) được sử dụng, nơi một node thu nhận trên kênh vô tuyến và chỉ truyền một gói nếu kênh này rỗi. Cơ cấu cho đồng hồ đồng bộ trong các bit tại lớp vật lý cũng được sử dụng cho quá trình cảm biến sóng mang. Vì vậy, lớp MAC được thi hành tại cả hai mức bit và byte trong ngăn xếp. Nếu quá trình lấy mẫu liên tục của kênh vô tuyến phát hiện ra không có tín hiệu nào, kênh vô tuyến được cho rằng rỗi và một quá trình truyền gói cố gắng được thử thực hiện. Tuy nhiên, nếu kênh vô tuyến bận, một tín hiệu back-off ngẫu nhiên xuất hiện. Toàn bộ tiến trình này lặp lại cho đến khi kênh rỗi. Một bộ đăng ký dịch chuyển feedback tuyến tính 16 bit đơn giản được sử dụng như một bộ tạo số giả ngẫu nhiên cho chu kỳ back-off. Máy thu phát vô tuyến được tắt đi trong chế độ back-off. Nhiều ứng dụng tập hợp và truyền phát dữ liệu một cách định kỳ, có thể sau khi phát hiện một sự kiện phát sinh, vì thế lưu lượng có thể được tương quan rất cao. Quá trình phát hiện kênh bận đề xuất một node láng riềng có thể chỉ thị rằng các kiểu truyền thông của các node được đồng bộ. Ứng dụng sử dụng lỗi để gửi giống như phản hồi và dịch chuyển pha lấy mẫu đến bộ có khả năng giải đồng bộ. Một yêu cầu ứng dụng chung khác là xấp xỉ phạm vi giá trị ngang nhau của quá trình lấy mẫu qua toàn bộ mạng. Mỗi node trong mạng có thể phát tán chỉ định đúng băng tần đến trạm gốc. Với các lớp định tuyến đặc biệt các node tự tổ chức thành một rừng bao trùm, nơi mà mỗi node tạo ra và định tuyến lưu lượng đến một trạm gốc. Sự cạnh tranh giữa lưu lượng đã phát sinh và định tuyến trên băng tần upstream phải được cân bằng để thoả mãn mục đích công bằng. Dung lượng mạng multi-hop có giới hạn, và các node phải thích ứng với sự trợ giúp của chúng để tải lên băng tần sẵn có, đúng hơn là thông qua cam kết kênh vô tuyến và năng lượng dư thừa trong quá trình truyền phát các gói để có thể liên lạc đến trạm gốc. Lược đồ truyền phát thích ứng là một thuật toán nội bộ được thực hiện trên lớn lớp bản tin kích hoạt (active-message) và dưới lớp ứng dụng. Ứng dụng có một tỷ lệ lấy mẫu baseline để quyết định tốc độ truyền phát cực đại và truyền dẫn một mẫu với một xác suất quyết định động. Nhờ quá trình truyền phát thành công, xác suất được gia tăng tuyến tính, trong khi lỗi trên được giảm Đỗ ngọc Anh - D2001VT

- 24 -



nhanh gấp nhiều lần. Một quá trình truyền dẫn thành công có thể biểu thị bởi một xác nhận hiện từ bộ thu hoặc một xác nhận ẩn khi bộ thu lắng nghe gói tin của nó mà đang được gửi từ node cha (node gốc). Vì xác nhận ẩn thường là đặc trưng ứng dụng, ứng dụng quyết định nếu quá trình truyền dẫn thành công, và truyền thông tin xuống đến lớp điều khiển truyền dẫn. Quán trình loại bỏ lệnh truyền dẫn của ứng dụng tại lớp điều khiển truyền dẫn đã khởi động quá trình thích ứng. Phương pháp TinyOS cung cấp hiệu quả tương đối trong việc hỗ trợ truyền thông đa năng, khả năng, nhiều thiết bị mà được ràng buộc rất cao trong các mỗi quan hệ xử lý, lưu trữ, băng tần và năng lượng với phần cứng nguyên thuỷ hỗ trợ I/O. Mô hình event driven giúp thuận tiện cho việc xen bộ vi xử lý giữa nhiều luồng dữ liệu và giữa nhiều lớp trong ngăn xếp cho mỗi luồng trong khi vẫn nhận một vài yêu cầu thời gian thực của tiến trình bảo dưỡng của các máy thu phát vô tuyến. Vì bộ lưu trữ dữ liệu rất hữu hạn, nó là phần chung để xử lý các bản tin gia tăng tại một vài mức, đúng hơn là đệm cho toàn bộ các bản tin và xử lý chúng theo mức level by level. Tuy nhiên, các sự kiện đứng một mình thì không có khả năng, và bản chất là một sự kiện có thể loại bỏ tiến trình quan trọng để một tác vụ chạy bên ngoài của sổ thời gian thực. Điều này cung cấp sự trùng hợp logic trong ngăn xếp và được sử dụng tại mọi mức để loại trừ lớp trừu tượng phần cứng. Nhờ chấp nhận phương pháp điều khiển sự kiện, nonblocking, các luồng truyền thống không được hỗ trợ, với các ngăn xếp được kết hợp của chúng và đồng bộ phức hợp. Phương pháp thành phần cung cấp cách thức hoạt động mạnh mặc dù có sự giới hạn về khả năng gỡ rối, và thuận tiện cho thử nghiệm. Các thành phần gói có thể được hoán đổi với một mức thay đổi đơn giản đến lược đồ mô tả và các thành phần tạm thời có thể được đặt giữa các thành phần đã tồn tại, không cần có những thay đổi các bổ xung nội bộ. Hơn nữa việc sử dụng các thành phần ch phép, về cơ bản, toàn bộ một cây con của các thành phần để được thay thế phần cứng và ngược lại. Mô hình lập trình bản tin kích hoạt Tiny cho phép các cuộc thử nghiệm với nhiều lớp mạng mức cao và các thuật toán phân tán hạt nhỏ (ﬁne-grained). Các node có thể lập trình lại thông qua mạng. Một node có thể thu được bao mã (code capsule) từ các node láng riềng hoặc thông qua các tuyến multi-hop và tập hợp hình ảnh thực thi đầy đủ trong bộ lưu trữ thứ hai của nó là EEPROM. Sau đó node có thể sử dụng hình ảnh này để tự lập trình lại. Đỗ ngọc Anh - D2001VT

- 25 -



Các thành phần lớp thấp nhất đồng bộ tất cả các máy thu đến máy phát trong vòng một phần nhỏ thời gian của một bit. Vì vậy, thông tin đồng bộ thời gian rất tốt có thể được cung cấp với mọi gói tin cho các ứng dụng điều khiển.

1.6.2 Hệ thống Cảm biến mạng tích hợp không dây WINS Các mạng cảm biến vi nhỏ phân tán không dây bao gồm một tập các node truyền thông, tại mỗi node kết hợp: -

Một hoặc nhiều cảm biến cho việc đo lường môi trường. Khả năng xử lý để xử lý dữ liệu cảm biến vào thông tin có giá trị cao và hoàn thành việc điều khiển nội bộ, và Một kênh vô tuyến để truyền phát thông tin đến và đi từ các node láng riềng và người sử dụng mở rộng.

Các chip CMOS nguồn mức thấp phân cực có thể tích hợp vào các máy thu phát vô tuyến để truyền thông, tính toán số, và các thành phần cảm biến MEMS, trên một khối đơn cung cấp trong dung tích cao cho mục đích chi phí thấp. Điều này cho phép một số lượng lớn các cảm biến mạng tích hợp vô tuyến được triển khai thật dễ dàng và nhanh chóng (ví dụ, không khí được tách ra từ các trường battle hoặc triển khai trên một khí cầu hoặc tàu không gian) hoặc hình thành cao các mạng cảm biến thừa, tự định cấu hình, chuyên dụng. Để không ràng buộc với các nhà phát triển, các node sử dụng các truyền thông không dây, và là năng lực thiết lập và vận hành mạng của riêng họ. Để kéo dài thời hạn sống của nguồn pin, tất cả các node và chức năng mạng được thiết kế để tiêu thụ công suất tối thiểu. Các hệ thống có năng lực và độ tin cậy cao được xây dựng ngoài số lượng lớn các node như vậy thật rẻ, riêng lẻ và sử dụng sự cộng tác giữa các node để cung cấp độ tin cậy cao, thông tin chất lượng cao.Node WINS dựa trên một thiết kế module mở sử dụng kỹ thuật off-the-shelf thương mại sẵn có rộng lớn. Các node cảm biến vi nhỏ không dây kết hợp các năng lực cảm biến (giống như xung động, âm thanh, từ) với một máy vô tuyến điện thoại cordless số thương mại và một bộ vi xử lý RISC thương mại nhúng trong một gói nhỏ. Khi các mạng này được thiết kế với mục đính cho nguồn thấp, quá trình xử lý tín hiệu nhúng được thực hiện để giảm các yêu cầu về truyền thông. Ví dụ, nhiều nghìn byte của dữ liệu nối tiếp thời gian thô từ các cảm biến dung động được giảm xuống một vài byte của thông tin biên độ và tần số sử dụng vi xử lý on board. Thông tin được xử lý truyền thông chỉ giảm bớt yêu cầu về nguồn để vận chuyển thông tin nhờ thứ tự cường độ. Các node WINS hỗ trợ các thí nghiệm


- 26 -



trong các giao thức truyền thông dữ liệu đa trạm, xử lý tín hiệu coopera-tive động (ví dụ, quá trình beamforming với các node không gian ngẫu nhiên), và quản lý tài nguyên phân tán. a/ Các yêu cầu cho mạng cảm biến vi nhỏ WINS

Mặt ngoài duy nhất của các mạng cảm biến vi nhỏ có thể được kiểm tra với số lượng quan trọng của các thiết bị nguyên mẫu rõ ràng được thiết kế cho mục đích này, trái với các dạng điện toán chung, Một vài trong số các yêu cầu cho mạng WINS bao gồm: -

Yếu tố hình dạng nhỏ nhẹ; Ổn định với các dải nhiệt độ rộng và các điều kiện môi trường yêu cầu khác; Nguồn pin hoặc các nguồn năng lượng riêng một mình khác; Vận hành nguồn mức thấp và truy nhập với các máy điều khiển công suất nội; Một máy radio nguồn thấp nhỏ có rải tần đủ Một môi trường thực thi thời gian thực; Có khả năng viết mã trong một ngôn ngữ mức cao cho tổ chức và kiểm tra thuật toán nhanh chóng và; Một mức chi phí hợp lý.

Các node hỗ trợ các ứng dụng tại chiến trường (battle-field), và một loạt quản lý y tế, phương tiện giao thông và các ứng dụng bảo trì dựa trên điều kiện (condition-based) trong công nghiệp, quân đội và các nền tảng về không gian. Ví dụ, một lớp kiểm tra vận động và tìm tòi cho quá trình phát triển giám sát và chuẩn đoán thành phần, xử lý, và mức hệ thống) được xây dựng tại Rockwell Science Center. Lớp kiểm tra test bed này được cung cấp với các node WINS chúng kết hợp chặt chẽ với các cảm biến gia tốc, áp suất và nhiệt độ và các thuật toán cho các chuẩn đoán xử lý và chuyển động. Các thuật toán xử lý tín hiệu chạy trên các node riêng biệt cung cấp cho phát hiện mới bắt đầu của một loạt các lỗi. Các kiểu truyền thông mạng không dây cung cấp cho việc cài đặt đơn giản và các chuẩn đoán cộng tác trong các nhóm motor, máy bơm, van trong hệ thống. Một trình duyệt dựa trên web cho phép toàn bộ hệ thống, và nhiều thành phần trong hệ thống được giám sát từ xa. Các mạng cảm biến vi nhỏ phân tán sử dụng kiểu xử lý cộng tác và các giao thức truyền thông nguồn mức thấp. Viễn cảnh, giống như giám sát các vùng lớn, Đỗ ngọc Anh - D2001VT

- 27 -



các toà nhà hoặc các đại lộ, được hoàn thành nhờ thiết lập bố trí các cảm biến thành các vùng đóng được quan tâm trong một độ dày đặc cao. Khoảng đóng cho phép cảm biến nguồn thấp và các liên kết vô tuyến tầm ngắn. Các node có thể được định vị chính xác hoặc được phân tán trong các cấu hình ngẫu nhiên với khả năng nhận biết trong không gian (hoặc không cần điều đó) được kết hợp trong quá trình xử lý tín hiệu và các thuật toán truyền thông. Sự linh hoạt này tạo thành các node phù hợp với một phạm vi rộng lớn các ứng dụng, ví dụ, an ninh trong các doanh trại và khảo sát trước, giám sát chuyển động và các tài sản khác trong các nhà máy công nghiệp lớn, giám sát nhiều hệ thống con trên các phương tiện giao thông. Các node WINS truyền thông với thế giới bên ngoài thông qua một mạng mức enterprise, giống như mọt mạng điều khiển xí nghiệp và/hoặc mạng Internet như đã chỉ ra hình 1.5. Truyền thông hai chiều được cung cấp thông suốt hệ thống, như mỗi node WINS hỗ trợ các truyền thông ngang hàng, hai chiều với các node láng riềng. các node WINS có thể là tĩnh hoặc di động chậm. Nhiều port cho truyền phát thông tin vào trong hoặc ra ngoài mạng cảm biến có thể được thiết lập. Một cổng port có thể được mở rộng bởi cho phép kết nối các máy vô tuyến tầm xa tới một vài node hoặc thông qua một gateway đến một dạng hữu tuyến, giống như Internet, cho phép người sử dụng giám sát và điều khiển mạng từ xa. Một người sử dụng WINS có thể phát đi các lệnh thông qua một giao diện người sử dụng được thiết lập trên một máy tính cá nhân hoặc điều khiển cầm tay, cho phép người sử dụng điều khiển mạng các node, ví dụ thiết lập ngưỡng nhạy cảm cảm biến hoặc lập trình lại các node thông qua liên kết vô tuyến. Giao diện người sử dụng có thể hiển thị kích hoạt tại một trong các node cùng với tình trạng thể chất của chúng (ví dụ mức nguồn pin). Bộ máy vô tuyến số trải phổ trong mỗi node WINS cung cấp một liên kết truyền thông vô tuyến mạnh, và cho phép tốc độ dữ liệu đạt đến 100kb/s qua phạm vi không quá 100m. Truyền thông ngang hàng hai chiều trong phạm vi các node trong một vùng lận cận nhỏ hỗ trợ các kiểu truyền dẫn dữ liệu multi-hop, để tránh yêu cầu cho tất cả các node nằm trong phạm vi của một trạm gốc. Đặc điểm này đưa cho người sử dụng một mức độ rất cao về tính mềm dẻo trong việc phát triển các node, vì vậy cho phép việc sắp xếp cảm biến chiến lược trong vùng quan tâm mà không cần ràng buộc về các kiểu truyền thông line-of-sight đến một tập dữ liệu hoặc vị trí gateway. Khái niệm WINS mang đến một thuận lợi trên thực tế là các hop vô tuyến tầm ngắn có hiệu quả về nguồn hơn các hop Đỗ ngọc Anh - D2001VT

- 28 -



phạm vi lớn hơn theo hàm mũ trong cùng một khoảng cách. Điều khiển công suất trên mỗi một máy vô tuyến được sử dụng xa hơn nữa để tối thiểu hoá công suất truyền dẫn được cần thiết cho truyền thông đến các node láng riềng.

Hình 1.5: Một mô tả giản đồ của một kiến trúc hệ thống WINS

Mạng trong một hệ thống WINS có dáng vẻ với mạng dữ liệu vô tuyến thông thường với các lý do sau: -

Các node có năng lượng pin giới hạn, tạo nên các lược đồ TDMA hấp dẫn, nhưng phải yêu cầu các lược đồ định tuyến đặc biệt được tối ưu hoá mức tiêu thụ nguồn tối thiểu. - Các node cảm biến có thể yêu cầu đồng bộ với cụm thời gian thời gian và quá trình sử lý tín hiệu kết hợp được thực hiện nhờ bảo trì nguồn, các thuật toán phân tán thời gian mạng. - Các node có thể có nhiều kiểu cảm biến (ví dụ chấn động, âm thanh, IR…) mỗi kiểu với sự khác nhau về mức độ hội tụ (hay bao phủ), độ chính xác, và mức tiêu thụ nguồn, và sự cho phép hỗn loạn cảm biến nội bộ. - Các mẫu truyền lưu lượng được tạo ra của WINS nói chung có thể đoán trước, cho phép điều chỉnh sóng hiệu quả của các giao thức. Trong khi lưu lượng được tạo ra nhờ các sự kiện ngẫu nhiên (ví dụ các phát hiện đích, các lệnh người sử dụng), các đích và vì thể các tuyến được ràng Đỗ ngọc Anh - D2001VT

- 29 -



buộc, như là dung lượng bản tin và các tiềm năng cho phép. Thông tin phát hiện được chuyển tiếp đến các cổng. Ở đó cũng có quá trình tổng hợp dữ liệu theo đường định tuyến mạng. - Xử lý kết hợp, giống như quá trình beam-forming, yêu cầu nhóm multicast động của các node để các thiết lập chặt chẽ các sự kiện. Vì các đích hoặc các hiện tượng khác gây nên các sự kiện có thể di động, tập các node cảm biến tích cực chúng sẽ thay đổi, chuyển động vị trí các phát sinh bản tin. Yêu cầu cho việc triển khai node đơn giản bắt buộc mạng các node có khả năng tự khai phá và tự định cấu hình. Các thủ tục tự định cấu hình cho việc boot-up và tự động tổ chức node vào mạng cho phép các node được thêm vào mạng hoạt động cho việc cải tiến mức độ bao phủ hoặc lấp đầy. Cách thức hoạt động cho việc khôi phục từ các lỗi node cho phép mạng tự động phục hồi. WINS sử dụng một lược đồ hiệu quả nguồn, đa truy nhập phân chia theo thời gian hỗ trợ cho việc truyền thông multi-hop. Các thuật toán định tuyến tránh được việc tạo ra các trung tâm tiêu thụ nguồn rằng kết quả tại các cảm biến trong một vùng lân cận làm tiêu hao năng lượng nguồn pin nhiều hơn lúc mạng trong trạng thái nghỉ nhanh chóng nguyên nhân là sự phân chia khi năng lượng của chúng bị suy yếu. Nghiên cứu các thuật toán xử lý tín hiệu nguồn thấp là một phần không thể thiếu của nỗ lực phát triển hệ thống và cho các ứng dụng quân sự (battleﬁeld), với các trọng tâm chính sau: -

Phát hiện/phân loại đích: Các node WINS thực hiện các thuật toán phát hiện rung động trên cơ sở ngưỡng năng lượng. Kỹ thuật này là đối tượng để các cảnh báo sai hướng đến sự quan tâm của các thuật toán ký hiệu phổ tinh vi hơn. Các thuật toán nguồn mức thấp để phân loại lớp sự kiện phát hiện giống như một sự kiện xung (ví dụ như một bước chân hoặc một viên đạn) hoặc phương tiện giao thông(ví dụ như bánh xe hoặc bánh xích, nhẹ hay nặng) được sử dụng.

-

Sự hợp nhất cảm biến on-board: Bao gồm có rất nhiều cảm biến trên mỗi node cho phép hợp nhất các hiện tượng cảm biến khác nhau, chỉ dẫn chất lượng thông tin cao hơn và giảm tỷ lệ cảnh báo sai. Các thuật toán cho việc gắn các cảm biến rung động, âm thanh và từ trường trên một node đơn được sử dụng.


- 30 -


-


Sự hợp nhất cảm biến multi-node: Các thuật toán tận dụng những ưu điểm của một mạng của các node riêng rẽ trong không gian đã mở rộng ra một dải các behavior cộng tác, mỗi một trong số các node từ bỏ chất lượng tách sóng chống lại việc tiêu thụ năng lượng. Các ví dụ về sự hợp nhất kết hợp có dải từ chứng thực quyết định mức cao (ví dụ bỏ phiếu bầu cử) đến hợp nhất các đặc điểm, và quá trình hình thành tín hiệu radio kết hợp đầy đủ.

b/ Nền tảng phát triển

Phần cứng trong mỗi node cảm biến vi nhỏ sử dụng kiểu thiết kế mở, thành module cho phép sát nhập vào một phạm vi các cảm biến. Các board liên kết đuợc cung cấp bởi thiết bị kết nối nhỏ 40 chân. Các kết nối hình thành một bus hệ thống để cung cấp các đường cung cấp nguồn và điều khiển cho các board cảm biến, và hỗ trợ nhiều giao diện mở. Node WINS bao gồm một ngăn xếp các mạch điện cơ bản gồm bộ xử lý, máy vô tuyến và hệ thống cung cấp nguồn, đi cặp với các cảm biến yêu cầu. Các thành phần phần cứng gồm: -

Cảm biến âm học; Modul vô tuyến trải phổ DCT (Biến đổi Cosin rời rạc); Modul xử lý StrongARM; Modul cung cấp nguồn nhiều mức điện áp; Máy dò âm thanh (cảm biến âm thanh) Mark 4 Product; Hai nguồn chuẩn 9V;

Sơ đồ khối phần cứng cơ bản được chỉ ra ở hình 1.6 chỉ ra kết nối và phân tán nguồn giữa các module chủ yếu trong hệ thống. a/ Modul xử lý : module xử lý được xây dựng dựa trên bộ điều khiển nhúng Strong Arm SA1100 của Intel. SA1100 là một chip đa năng, bộ vi xử lý 32 bit RISC dựa trên công nghệ ARM. bộ xử lý trợ giúp một bộ nhớ đệm cấu trúc lệnh 16 bit, một bộ nhớ đệm dữ liệu 8kb, I/O nối tiếp và giao diện JTAG, tất cả được kết hợp trên một chip đơn. Lưu trữ chương trình và dữ liệu được cung cấp nhờ bộ nhớ bootable flash 128kb SDRAM và 1Mb. Kết nối với các module cảm biến được hoàn tất một cách dễ dàng nhờ sử dụng 4 dây Giao diện ngoại vi nối tiếp SPI. Một cổng RS232 được thêm vào module để thực hiện kết nối với các thiết bị bên ngoài. Bộ xử lý có 3 trạng thái: bình thường, rỗi, ngủ, có thể được điều khiển để giảm mức tiêu thụ nguồn.


- 31 -



b/ Modul vô tuyến: module vô tuyến sử dụng Conexant Systems, RDSSS9M Digital Cordless Telephone (DCT) chip-set bổ xung thực hiện liên kết truyền thông RF trải phổ tần số 900MHz. Chipset có một bộ vi điều khiển nhúng 65C02 để thực hiện tất cả các chức năng điều khiển và giám sát được yêu cầu cho truyền thông trải phổ chuỗi trực tiếp (12 chip/bit), rất tốt để trao đổi dữ liệu với module xử lý. Kênh vô tuyến hoạt động trên một trong 40 kênh của băng tần ISM, có thể lựa chọn nhờ bộ điều khiển. Lưu trữ chương trình và dữ liệu được cung cấp với 32kb SDRAM và 1Mb bộ nhớ bootable flash. Vi chương trình (phần sụn) nhúng được phát triển để hỗ trợ mạng đa truy nhập với phần hỗ trợ bộ xử lý ARM cực tiểu. Board cũng cung cấp một bộ biến đổi ADC 4 bit cho việc giám sát điện thế pin. Phần RF của kênh vô tuyến được đóng gói giống như một module đa chip nhỏ, giao diện với antenna xoắn trở kháng 50Ω và khả năng hoạt động tại nhiều mức nguồn truyền phát 1 đến 100 mW, có thể sử dụng các thuật toán truyền thông tối ưu hoá nguồn. c/ Modul cảm biến rung động : board cảm biến rung động sử dụng một máy dò Mark IV được thiết kế cho phát hiện tần số thấp của các sự kiện rung động. Khả năng cảm biến của máy dò này khoảng 15g. Mạch điện tận dụng một bộ biến đổi Sigma-delta thiết bị tương tự AD 7714 mà kết quả nằm trong một clean, 20dbit tín hiệu từ 1Hz đến 400Hz. Mạch điện có thể lặp lại thích hợp cho phép sự so khớp pha giữa các node cảm biến để hỗ trợ quá trình xử lý kết hợp cộng tác, giống như quá trình beamforming.

Các module cảm biến khác bao gồm: -

Cảm biến âm thanh: Board cảm biến âm thanh tận dụng một microphone nhỏ giống như phần tử microphone Knowles BL1785 có một ngưỡng tần thấp là 4 Hz. Tần số cực đại quan tâm cho các ứng dụng cảm biến âm thanh là 2kHz. Thực sự được mong đợi để duy trì thông pha cho các ứng dụng beamforming. - Từ kế: một module từ kế tận dụng Honeywell HMC1001 và có băng tần 10Hz. Tỷ lệ cảm biến là 27 microgausss làm nó có thể phát hiện 1lb của sắt từ 6 feet. - Gia tốc kế: Một gia gia tốc kế chế tạo cho việc sử dụng trong việc giám sát rung động máy. Board này bao gồm một gia tốc được lấy mẫu tại tần số 48 kHz. Board gia tốc kế WINS cũng cung cấp đầu vào cho các cảm biến nhiệt độ và áp suất.


- 32 -



Hình 1.6: Một sơ đồ khối phần cứng

Để hỗ trợ cho việc thử nghiệm và phát triển các thuật toán, một môi trường phần mềm mềm dẻo mà trong đó các ứng dụng có thể được viết bằng một ngôn ngữ bậc cao, giống như C, trong quá trình bảo trì truy nhập đến các chức năng phần cứng mức thấp, giống như điều khiển nguồn, là chủ yếu. Các chức năng phần mềm WINS chính được tổ chức trong các lớp sau: Giám sát/Phân lớp trừu tượng phần cứng HAL: HAL cung cấp thường trình cho việc cài đặt hoá, truyền thông với bên ngoài, tải và gỡ rối chương trình, và xử lý ngắt. Một phiên dịch định chuẩn gói định tuyến các gói đến từ bộ phát vô tuyến hoặc từ RS-232 bên ngoài vào các tác cụ bên trong. Tải chương trình có thể xảy ra hoặc thông qua một thiết bị đính kèm hoặc thông qua bộ phát vô tuyến. •

Môi trường thời gian thực thi Run-time: Nhân run-time trên mỗi node cung cấp cơ sở hạ tầng mạng WINS phân tán mức thấp. Điều khiển mức thấp cho các giao thức truyền thông, tốt giống như các driver cảm biến được tổ chức tại lớp này. •


- 33 -



Các ứng dụng hệ thống: Các máy tính xử lý tín hiệu và chức năng liên mạng lớp cao hơn (lập lịch, định tuyến) được chạy và viết bằng ngôn ngữ lập trình mức cao giống như C. Các ứng dụng mới có thể được download về các node cảm biến mà đã được triển khai trong các trường cảm biến thông qua mạng RF. •

Các ứng dụng giao diện người sử dụng đã tổ chức trên các máy PC cho phép người sử dụng chạy các tác vụ khác nhau và để tương tác với mạng cảm biến. Một giao diện cho truyền thông với mạng thông qua một gateway được hỗ trợ tốt giống như hiển thị và logging thông tin mạng. •

Hình 1.7: Các thành phần môi trường run-time

Một nhân run-time, có quyền ưu tiên, đa tác vụ được port đến module xử lý dựa trên Micro C/OS, và được thiết kế để chạy trên trên mức cao nhất của HAL. HAL cung cấp các chức năng ngôn ngữ biên dịch then chốt cho Micro C/OS (định thời thời gian thực, chuyển mạch ngữ cảnh, điều khiển ngắt). Mối quan hệ giữa các ứng dụng, hệ điều hành và HAL được chỉ ra tại hình 1.7 với nhiều chi tiết của quá trình thực thi. OS được sử dụng để lập lịch các ứng dụng, truyền thông liên xử lý mạnh với máy phát vô tuyến và các module thông minh đính kèm, điều khiển quản lý nguồn mức cao hơn, điều khiển các driver thiết bị cảm biến đính kèm, và điều khiển các bản tin mạng và các chức năng giao thức liên quan. HAL cung cấp một cái nhìn chuẩn về các ngắt đến OS và truy nhập mức Đỗ ngọc Anh - D2001VT

- 34 -



thấp hơn đến quản lý nguồn, các bộ download mã, chức năng lập trình bộ nhớ Flash, và giao diện gỡ rối JTAG. Một chức năng I/O chuẩn được cung cấp để hỗ trợ gỡ rối ngôn ngữ C và giao diện mức C cho quá trình truyền bản tin mạng. Hình 1.8 chỉ ra kiến trúc phần mềm tổng thể với các thực thể phần mềm được đặt trên module xử lý ARM, module DCT, các module cảm biến và một máy chủ (PC). Hỗ trợ cho một máy thu phát vô cũng được cung cấp. Một vài công cụ phát triển phát triển trên OC và Arm cho việc sử dụng trong quá trình mã hoá và gỡ rối phần mềm. Người sử dụng sử dụng ARM SDT (System Developers Toolkit) hoặc bộ biên dịch tương tự để phát triển các ứng dụng dựa trên C (C based). Một lược đồ TDMA hiệu quả nguồn được thi hành giống như giao thức lớp liên kết WINS cơ bản. Lược đồ TDMA cho phép các node khoá bộ thu và/hoặc bộ phát của chúng khi chúng không được lập lịch để truyền thông. Một lược đồ định tuyến multi-hop cũng được thi hành để thông tin từ các node xa có thể được chuyển đến các vị trí đích. Các giao thức lớp liên kết được xây dựng trên nhất của kênh quảng bá vô tuyến trải phổ số và cung cấp một tốc độ dữ liệu thô khoảng 100kb/s. Các loại lược đồ tự sửa lỗi trước mào đầu thấp cũng được thi hành. Toàn bộ node cảm biến WINS tiêu thụ nguồn có đỉnh là 1W, với bộ xử lý tiêu thụ 300mW, máy phát vô tuyến tiêu thụ 600mW trong chế độ truyền phát và 300mW trong chế độ thu, thấp hơn 100mW được tiêu thụ nhờ các bộ transducer cảm biến. Bộ điều khiển thích hợp chuyên biệt của hệ thống để cho phép công suất đỉnh ít khi bị phụ thuộc. Một năng lực cốt yếu của các thiết bị là để chúng có thể được phép đặt vào trong chế độ rỗi hoặc ngủ dưới sự điều khiển phần mềm mức thấp để tăng thời gian sống hoạt động hệ thống.


- 35 -



Hình 1.8: Kiến trúc phần mềm WINS


- 36 -


Chương 2. Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây

CHƯƠNG 2 CÁC ỨNG DỤNG CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 2.1 Các ứng dụng của công nghệ mạng cảm biến không dây 2.1.1 Giám sát và điều khiển công nghiệp Một nhà máy công nghiệp, có quy mô rộng điển hình có một phòng điều khiển tương đối nhỏ, xung quanh có các thiết máy móc tương đối lớn. Phòng điều khiển có các đồng hồ chỉ báo và các máy hiển thị để mô tả trạng thái các thiết bị (trạng thái các van, trạng thái thiết bị, nhiệt độ và áp suất của nguyên liệu được lưu trữ, v.v…), đầu vào các thiết bị để điều khiển các bộ truyền động trong các máy móc (các van, các bếp lò, v.v…) mà tác động đến trạng thái được theo dõi của máy móc. Các cảm biến mô tả trạng thái các máy móc, các kết quả hiển thị của chúng nằm trong phòng điều khiển, các thiết bị đầu vào điều khiển, và các bộ truyền động trong các máy tất cả tương đối rẻ khi được so sánh với chi phí của các đường dây bọc kim loại mà được sử dụng để truyền thông giữa chúng. Tiết kiệm chi phí đáng kể được hoàn tất nếu một phương tiện không dây rẻ có sẵn để cung cấp kiểu truyền thông này. Bởi vì thông tin được truyền thông là thông tin trạng thái, nó thường thay đổi chậm. Vì vậy, trong chế độ vận hành bình thường, thông lượng dữ liệu được yêu cầu của mạng tương đối chậm, nhưng độ tin cậy được yêu cầu của mạng lại rất cao. Mạng cảm biến không dây của nhiều node, cung cấp nhiều đường dẫn định tuyến bản tin của quá trình truyền thông multi-hop, có thể nhận được các yêu cầu này. Một ví dụ về điều khiển công nghiệp không dây là quá trình điều khiển bố trí ánh sáng quảng cáo. Rất nhiều phí tổn trong quá trình cài đặt các bóng đèn trong một toà nhà lớn liên quan đến việc điều khiển các bóng đèn – nơi mà các chuyển mạch có dây, với các bóng đèn được bật và tắt cùng nhau, điều khiển bóng đèn, v.v… Một hệ thống không dây có tính mềm dẻo có thể tận dụng một bộ điều khiển handheld có thể được lập trình để điều khiển một số lượng các bóng đèn trong một theo nhiều cách khác nhau gần như vô hạn, trong khi vẫn cung cấp mức độ an ninh được yêu cầu bởi một bộ phận lắp đặt quảng cáo. Thêm một ví dụ nữa là việc sử dụng các mạng cảm biến không dây trong các ứng dụng an toàn công nghiệp. Các mạng cảm biến không dây có thể tận dụng các cảm biến để phát hiện sự hiện diện của các chất độc hại hoặc các vật liệu Đỗ ngọc Anh - D2001VT

- 37 -



nguy hiểm, cung cấp quá trình phát hiện và nhận dạng sớm các khe hở hoặc phát hiện tràn các tác nhân hoá học hoặc sinh học trước khi thiệt hại nghiêm trọng có xảy ra (và trước khi các chất vượt ra ngoài vùng kiểm soát). Bởi vì mạng không dây có thể sử dụng các thuật toán định tuyến phân tán, có nhiều đường định tuyến, và có thể tự chữa trị và tự duy trì, chúng có thể co giãn trong mặt ngoài của quá trình bùng nổ hoặc các thiệt hại khác đến máy công nghiệp, cung cấp các thẩm quyền với thông tin trạng thái máy quyết định dưới các điều kiện rất khó. Quá trình giám sát và điều khiển cơ cấu quay hoặc chuyển động là một lĩnh vực khác phù hợp với các mạng cảm biến không dây. Trong các ứng dụng như vậy, các cảm biến có dây và các bộ truyền động thường không thực hiện được, điều rất quan trọng để giám sát nhiệt độ, dao động, dòng bôi trơn, v.v… của các thành phần quay của các máy để tối ưu hoá thời gian giữa các chu kỳ bảo trì, khi máy phải được giữ off-line. Để làm được điều này, quan trọng là hệ thống cảm biến không dây có khả năng thực hiện cho khoảng thời gian trọn vẹn giữa các chu kỳ bảo trì, nếu không nó thủ tiêu mục đích của các cảm biến. Điều này, trong chuyển động quay, yêu cầu sử dụng một mạng cảm biến với các yêu cầu năng lượng rất thấp. Các mạng cảm biến có thể sử dụng riêng biệt trong quá trình dự báo lỗi các thành phần trong aircaft, nơi mà những phân tán này có thể được sử dụng cho các cải tiến riêng biệt. Với ứng dụng khác trong lĩnh vực này của các mạng cảm biến không dây là hơi nóng, thông hơi và các điều kiện không khí (HVAC) của các toà nhà. Các hệ thống HVAC cổ điển được điều khiển bởi một số lượng nhỏ các máy ổn nhiệt và ổn ẩm. Số lượng các máy ổn nhiệt và ổn ẩm này cũng bị giới hạn, tuy nhiên, bởi chi phí kết hợp với kết nối hữu tuyến đến vị trí đặt hệ thống HVAC. Thêm nữa, các bộ điều khiển không khí và chống rung mà điều khiển trực tiếp trong môi trường phạm vi phòng cũng có dây; cùng với các lý do này, số lượng của chúng cũng bị giới hạn. Tuy nhiên, thân nhiệt phát sinh do con người trong một toà nhà cũng thay đổi tương đối. Những thay đổi hàng ngày, hàng tuần, theo mùa luôn xảy ra. Những thay đổi này được kết hợp với quá trình phân tán con người trong toà nhà suốt ngày, suốt tuần, suốt mùa, suốt năm; những thay đổi quan trọng cũng ảnh hưởng đến thân nhiệt của toà nhà tại các khoảng không đồng đều. Ví dụ, khi các tổ chức cải tổ lại và sửa chữa lại, không gian sử dụng trước đây cho cho các văn phòng có thể được sử dụng bởi lò phát sinh nhiệt hoặc thiết bị chế tạo. Những Đỗ ngọc Anh - D2001VT

- 38 -



thay đổi đến ngôi nhà bản thân chúng cũng được quan tâm: phần kết cấu bên trong tường có thể được chèn vào, chuyển hoặc di rời đi; các cửa sổ, các màn chắn, các mái hiên cũng có thể được thêm vào hoặc rời đi, v.v… Vì tất cả những biến đổi có thể này và mà gần như không có ai làm việc trong văn phòng trong toà nhà này có thể chứng nhận chúng, nên cải tiến được yêu cầu. Nguyên nhân căn bản của chức năng HVAC không tốt như vậy làm các hệ thống điều khiển thiếu thông tin chính xác về môi trường trong toà nhà để duy trì một môi trường thoải mái cho con người. Bởi vì chúng không yêu cầu phí tổn các bộ cảm biến và kích thích có dây, mạng cảm biến không dây, có thể được tận dụng để gia tăng nhanh chóng thông tin về giá trị môi trường trong toà nhà đến hệ thống điều khiển HVAC, và giảm nhanh chóng khả năng tạo thành đáp ứng lại của nó. Bộ ổn nhiệt và ổn ẩm không dây có thể được đặt tại một vài vị trí trong mỗi phòng để cung cấp chi tiết thông tin đến điều khiển hệ thống. Tương tự, các bộ giảm rung vòng và giảm dung âm lượng không dây có thể được sử dụng để tạo ra một lượng lớn để tinh chỉnh đáp ứng của hệ thống HVAC đến nhiều trạm. Khi mọi người trong một phạm vi văn phòng chuyển đến phòng hội nghị để meeting, ví dụ, hệ thống có thể được đáp ứng bởi việc đóng các bộ chống rung âm lượng trong phạm vi văn phòng, trong khi mở các bộ chống rung âm lượng tại phòng hội nghị. Khi mọi người rời khỏi toà nhà, hệ thống HVAC có thể hướng dẫn các bộ chống rung vòng để đáp ứng thay đổi trong toàn bộ thân nhiệt toà nhà. Khi mọi người trở lại trong khi lái xe dưới mưa gió, bộ ổn ẩm trong ô và áo đi mưa có thể phát hiện độ ẩm trong áo mưa. Hệ thống HVAC sau đó có thể đặt đặc biệt tại nơi khô ráo, không tác động đến người sở hữu nó ở trong phòng. Hệ thống HVAC không dây cũng có thể giải thích một trong những vấn đề lớn đối với kỹ sư HVAC: Cân bằng nhiệt ấm và tình trạng không khí. Với trường hợp mà các nguồn nhiệt được phân tán không đều nhau khắp toà nhà. Ví dụ trong ngôi nhà, nhà bếp có khuynh hướng ấm hơn, bởi vì nhiệt độ của bếp nấu ăn, trong khi các phòng ngủ có khuynh hướng lạnh hơn. Vào mùa đông, không khí ấm hơn yêu cầu được gửi đến phòng ngủ, nơi mà không khí lạnh hơn, và nguồn nóng thấp hơn yêu cầu được gửi đến nhà bếp, nơi không khí ấm hơn. Trong mùa hè, tuy nhiên, ngược lại – không khí lạnh hơn yêu cầu được gửi đến nhà bếp, nơi mà không khí ấm hơn, và không khí ít lạnh yêu cầu được gửi đến phòng ngủ, nơi mà không khí lạnh hơn. Sự khác biệt này giữa các quá trình phân tán không khí của nhiệt ấm và tình trạng không khí là một vấn đề khó và đắt tiền Đỗ ngọc Anh - D2001VT

- 39 -



để giải quyết đối với các hệ thống điều khiển hữu tuyến, bởi vì một bộ chống rung âm lượng đến mỗi phòng trong căn nhà phải được điều khiển độc lập. Thường, các bộ chống rung được đặt tại một vị trí đơn, cố định, ngoài các vùng lạnh liên tục và ấm liên tục. Với các cảm biến và các bộ truyền động không dây trong hệ thống HVAC, tuy nhiên, vấn đề này trở nên tầm thường; một (nhiều) bộ chống rung trong mỗi phòng có thể được điều khiển bởi một (nhiều) cảm biến trong mỗi phòng, sắp đặt sự cân bằng hệ thống hoàn chỉnh tại những thời điểm trong năm. Một hệ thống HVAC có những ưu điểm khác. Quá trình giám sát kín của hệ thống cho phép các vấn đề được nhận ra và được sửa chữa trước khi các phiền toái xảy ra. Để bổ xung đến các cảm biến vùng cư trú các cảm biến không dây có thể được đặt hệ thống thay đổi nhiệt) không phụ thuộc vào tổ bảo trì để tạo các phép đo bằng tay trên các khe hở. Thêm nữa các cảm biến có thể được đặt trong các tầng thượng và cầu trượt tại bể bơi mà chứa đựng ống dẫn; nhiệt độ bất thường trong các vùng này có thể chỉ ra các lỗ rò tai hại luồng không khí nóng hoặc lạnh. Vì những nguyên nhân này, toàn bộ chi phí HVAC ngôi nhà sẽ giảm, trong khi sự thoải mái của người sử dụng gia tăng khi các cảm biến và các bộ truyền động được tận dụng.

2.1.2 Tự động hoá gia đình và điện dân dụng Gia đình là không gian ứng dụng rất lớn cho các mạng cảm biến không dây. Nhiều ứng dụng công nghiệp vừa được mô tả có mối liên hệ tương tự trong gia đình. Ví dụ một hệ thống HVAC được trang bị với các bộ ổn nhiệt và chống rung không dây có thể bảo vệ các phòng dưới ánh nắng mặt trời của ngôi nhà sẽ hiệu quả hơn một ngôi nhà chỉ trang bị một bộ ổn nhiệt đơn có dây. Một ứng dụng được điều khiển chung từ xa, một PDA loại thiết bị có thể chỉ không điều khiển TV, Máy nghe DVD, dàn âm thanh nổi và các thiết bị điện tử gia đình khác nhưng với các bóng đèn, các cánh cửa, và các ổ khoá cũng được trang bị với một kết nối mạng cảm biến không dây. Với điều khiển chung từ xa, một bộ có thể điều khiển ngôi nhà từ tiện ích trên ghế. Tuy nhiên, khả năng hấp dẫn nhất đến từ sự kết hợp nhiều dịch vụ, giống như các cánh cửa tự động đóng khi TV được bật, hoặc có thể tự động ngưng hệ thống giải trí gia đình khi một cuộc được nhận trên máy điện thoại hoặc chuông cửa kêu. Với chiếc cân và máy tính cá nhân cả hai được kết nối với nhau thông qua một mạng cảm biến không


- 40 -



dây, sức nặng của một vật có thể được tự động ghi lại không cần yêu cầu sự can thiệp bằng tay. Một mục đích lớn của các mạng cảm biến không dây trong gia đình được mong chờ là các thiết bị ngoại vi máy tính cá nhân, giống như các keyboard và mice không dây. Các ứng dụng này đem lại ưu điểm giá thấp và mức tiêu thụ nguồn thấp là điều kiện thiết yếu của các mạng cảm biến không dây. Úng dụng khác trong gia đình là các dụng cụ thông tin dựa trên cảm biến (sensor-based) mà tác động và làm việc cộng sinh rõ rệt cùng nhau để thoả mãn chủ nhà. Các mạng này là một mở rộng của các dụng cụ thông tin được đề xuất bởi Norman. Các đồ chơi miêu tả một thị trường lớn khác của các mạng cảm biến không dây. Danh sách các đồ chơi có thể được thêm hoặc cho phép nhờ các mạng cảm biến không dây là bị giới hạn chỉ bởi sức tưởng tượng của con người, và phạm vi từ các xe hơi và tàu thuyền được điều khiển bằng vô tuyến thông thường đến các trò chơi trên máy tính tận dụng các bộ joystick và bộ điều khiển không dây. Một phạm vi hấp dẫn đặc biệt là các máy tính cá nhân – các trò chơi nâng cao, tận dụng sức mạnh tính toán của một máy tính ở gần để nâng cao chất lượng ngay tại bản thân trò chơi. Ví dụ, nhận dạng và tổng hợp giọng nói có thể được thực hiện bởi vị trí các microphone và speaker trong trò chơi, cùng với các bộ biến đổi analog-to-digital và digital-to-analog phù hợp, nhưng tận dụng một kết nối không dây đến máy tính, có thể thực hiện các chức năng nhận dạng và tổng hợp. Nhờ thay thế các mạch điện nhận dạng và tổng hợp đến này còn bị giới hạn với giá tương đối đắt, bằng việc sử dụng sức mạnh tính toán (mạnh hơn nhiều) hiện tại trong máy tính, chi phí các trò chơi có thể được giảm đáng kể, trong khi cải tiến nhanh chóng về khả năng và thực thi của trò chơi. Nó cũng có thể đưa ra độ phức tạp của trò chơi mà trên thực tế không được bổ xung trong các kỹ thuật khác. Ứng dụng gia đình lớn hơn khác là một mở rộng của đặc điểm RKE (Remote Keyless Entry) được tìm thấy trên nhiều ô tô. Với các mạng cảm biến không dây, ổ khoá không dây, các cảm biến cửa ra vào và cửa sổ, và các bộ điều khiển bóng đèn không dây, chủ nhà có một thiết bị tương tự như một key-fob với một node bấm. Khi bấm node, thiết bị khoá tất cả các cửa ra vào và cửa sổ trong nhà, tắt hầu hết các bóng đèn trong nhà (trừ một vài bóng đèn ngủ), bật các bóng đèn an toàn ngoài nhà, và thiết lập hệ thống HVAC đến chế độ ngủ. Người sử dụng nhận một tiếng beep một lần hồi đáp thể hiện tất cả đã thực hiện thành công, và nghỉ ngơi hoàn toàn, như vậy ngôi nhà an toàn. Khi một cánh cửa hỏng không Đỗ ngọc Anh - D2001VT

- 41 -



thể mở, hoặc vấn đề tồn tại, một màn hình hiển thị trên thiết bị chỉ thị nơi bị hỏng. Mạng có thậm trí có thể tận dụng một hệ thống an ninh gia đình đầy đủ để phát hiện một cửa sổ bị gãy hoặc chỗ hỏng khác. Bên ngoài ngôi nhà, các khả năng location-aware của các mạng cản biến không dây phù hợp với một tập khác nhau của các hoạt động consumer-related, bao gồm du lịch và mua sắm. Trong các ứng dụng này, quá trình định vị có thể được sử dụng để cung cấp thông tin context-specific đến người tiêu dùng. Trong trường hợp của người hướng dẫn viên du lịch, người sử dụng chỉ được cung câp thông tin liên quan đến quang cảnh hiện tại, trong trường hợp của nhân viên bán bán hàng, người sử dụng được cung cấp thông tin liên quan đến sản phẩm trước mặt. bao gồm các khoản mua bán và khấu hao đặc biệt và trợ giúp.

2.1.3 Cảm biến trong quân sự Các mạng cảm biến không dây là một phần không thể thiếu trong các ứng dụng quân sự ngày nay với các hệ thống mệnh lệnh, điều khiển, thu thập tin tức tình báo truyền thông, tính toán, theo dõi kẻ tình nghi, trinh sát và tìm mục tiêu. Các đặc tính triển khai nhanh chóng, tự tổ chức và khả năng chịu đựng lỗi của các mạng cảm biến cho thấy đây là một công nghệ đầy triển vọng trong lĩnh vực quân sự. Vì các mạng cảm biến dựa trên cơ sở triển khai dày đặc với các node giá rẻ và chỉ dùng một lần, việc bị địch phá huỷ một số node không ảnh hưởng tới hoạt động chung như các cảm biến truyền thống nên chúng tiếp cận chiến trường tốt hơn. Một số ứng dụng của mạng cảm biến là : kiểm tra lực lượng, trang bị, đạn dược, giám sát chiến trường, trinh sát vùng và lực lượng địch, tìm mục tiêu, đánh giá thiệt hại trận đánh, trinh sát và phát hiện các vũ khí hóa học sinh học - hạt nhân (NCB). - Kiểm tra lực lượng, trang bị, đạn dược: Các lãnh đạo và chỉ huy có thể kiểm tra thường xuyên tình trạng của quân đội, điều kiện và khả năng sẵn sàng chiến đấu của các trang bị, đạn dược trong một chiến trường bằng việc sử dụng các mạng cảm biến. Mỗi người lýnh, xe cộ, trang bị đều được gắn một cảm biến để thông báo trạng thái. Các thông báo này được tập hợp tại một node thu dữ liệu (Sink node) và được gửi tới người chỉ huy. Các số liệu này có thể được hướng tới các cấp cao hơn trong phân cấp chỉ huy cùng với các số liệu từ các đơn vị khác tại mỗi cấp. - Theo dõi chiến trường : Tại các vùng quan trọng, các tuyến tiếp cận, các con đường và eo biển, các mạng cảm biến có thể được triển khai nhanh chóng để Đỗ ngọc Anh - D2001VT

- 42 -



theo dõi hoạt động của đối phương một cách rõ ràng, bí mật. Khi bản đồ công tác đã được chuẩn bị, các mạng cảm biến có thể được triển khai bất cứ lúc nào để theo dõi đối phương. - Trinh sát vùng và lực lượng đối phương: Khi các mạng cảm biến được triển khai tại các vùng chiến lược, các thông tin tình báo có giá trị, chi tiết và kịp thời có thể được thu thập trong một vài phút trước khi bị đối phương ngăn chặn. - Tìm mục tiêu: Các mạng cảm biến có thể được kết hợp chặt chẽ với các hệ thống hướng đạo trong các quân trang thông minh. - Đánh giá thiệt hại của trận đánh: Ngay trước hoặc sau khi tấn công, các mạng cảm biến có thể được triển khai trong vùng mục tiêu để tập hợp các số liệu đánh giá thiệt hại trong trận đánh. - Trinh sát và phát hiện các vũ khí hóa học, sinh học, hạt nhân: Trong các cuộc chiến tranh sinh học và hóa học, việc phát hiện chính xác và kịp thời các tác nhân là điều rất quan trọng. Các mạng cảm biến được triển khai trong vùng chiếm đóng và được sử dụng như các hệ thống cảnh báo vũ khí sinh hóa có thể cung cấp cho quân đội các thông tin về các tác nhân có thể gây nguy hiểm, thương vong. Các mạng cảm biến còn được dùng để giám sát chi tiết sau khi các tấn công sinh, hóa và hạt nhân được phát hiện. Người ta có thể có được sự trinh sát về vũ khí hạt nhân mà không phải đưa các đội trinh sát vào vùng bức xạ nguy hiểm.

2.1.4 Cảm biến trong y tế và giám sát sức khoẻ Một số ứng dụng trong y tế của mạng cảm biến là cung cấp khả năng giao tiếp cho người khuyết tật; kiểm tra tình trạng của bệnh nhân; chẩn đoán; quản lý dược phẩm trong bệnh viện; kiểm tra sự di chuyển và các cơ chế sinh học bên trong của côn trùng và các loài sinh vật nhỏ khác; kiểm tra từ xa các số liệu về sinh lý con người; giám sát, kiểm tra các bác sĩ và bệnh nhân bên trong bệnh viện. - Kiểm tra từ xa các số liệu về sinh lý con người: Các số liệu về sinh lý thu thập được bằng các mạng cảm biến có thể được lưu trữ trong thời gian dài và có thể được sử dụng để khảo sát y học. Mạng cảm biến còn được sử dụng để kiểm tra và phát hiện tình trạng của người cao tuổi như sự đột quỵ. Các node cảm biến nhỏ này cho phép các đối tượng có thể di chuyển tự do trong phạm vi rộng và các bác sĩ có thể phát hiện các triệu chứng được định nghĩa trước một cách dễ dàng. Các mạng cảm biến này tạo thuận lợi hơn cho các bệnh nhân so với việc Đỗ ngọc Anh - D2001VT

- 43 -



đến các trung tâm điều trị. Một nhóm có tên là “Health Smart Home được tổ chức tại khoa y học của Grenoble – France để đánh giá, công nhận tính khả thi của các hệ thống này. - Giám sát và kiểm tra các bác sĩ và bệnh nhân bên trong bệnh viện: Mỗi bệnh nhân có các node cảm biến nhỏ và nhẹ được gắn với họ. Mỗi node cảm biến có một nhiệm vụ riêng. Ví dụ, một node có thể theo dõi nhịp tim, trong khi một node khác theo dõi huyết áp. Các bác sĩ cũng có thể mang theo các node cảm biến để các bác sĩ khác biết được vị trí của họ trong bệnh viện. - Quản lý dược phẩm trong bệnh viện: Các bệnh nhân được gắn các node cảm biến có thể nhận biết các dị ứng thuốc và các dược phẩm cần thiết. Như vậy, có thể giảm tối đa các sai sót trong việc kê đơn thuốc và sử dụng thuốc của bệnh nhân.

2.1.5 Cảm biến môi trường và nông nghiệp thông minh Một số các ứng dụng về môi trường của mạng cảm biến bao gồm theo dõi sự di chuyển của các loài chim, loài thú nhỏ, côn trùng; kiểm tra các điều kiện môi trường ảnh hưởng tới mùa màng và vật nuôi; tình trạng nước tưới; các công cụ vĩ mô cho việc giám sát mặt đất ở phạm vi rộng và thám hiểm các hành tinh; phát hiện hóa học, sinh học; tính toán trong nông nghiệp; kiểm tra môi trường không khí,đất trồng, biển; phát hiện cháy rừng; nghiên cứu khí tượng và địa lý; phát hiện lũ lụt; vẽ bản đồ sinh học phức tạp của môi trường và nghiên cứu ô nhiễm môi trường. - Phát hiện cháy rừng: Vì các node cảm biến có thể triển khai dày đặc, tự do ở các vị trí cần thiết nên chúng có thể cung cấp tin tức chính xác về nguồn gốc phát lửa trước khi chúng phát tán rộng không kiểm soát được. Hàng nghìn node cảm biến có thể được triển khai và tích hợp nhờ các hệ thống quang và các tần số vô tuyến. Ngoài ra, các node cảm biến còn được trang bị các phương pháp thu năng lượng, ví dụ như dùng pin mặt trời, để các cảm biến có thể tự duy trì trong nhiều tháng thậm chí nhiều năm. Các node cảm biến sẽ cộng tác với các node khác để phân tán sự cảm biến và chống lại các trở ngại như các cành cây, khối đá làm cản trở tầm nhìn của các cảm biến. - Vẽ bản đồ sinh học phức tạp của môi trường: Việc lập bản đồ sinh học của môi trường đòi hỏi phải tiếp cận một cách tinh vi để kết hợp các thông tin qua các trục không gian và thời gian. Các tiến bộ kỹ thuật trong lĩnh vực cảm biến từ xa và thu thập dữ liệu tự động cho phép độ phân giải không gian, quang phổ và Đỗ ngọc Anh - D2001VT

- 44 -



thời gian cao tại một đơn vị diện tích. Dựa vào công nghệ hiện nay, các node cảm biến có thể được kết nối Internet, điều này cho phép người sử dụng từ xa có thể điều khiển, kiểm tra và theo dõi các thành phần sinh học trong môi trường. Mặc dù các hệ thống cảm biến vệ tinh và trên máy bay rất hữu ích cho việc theo dõi tính đa dạng sinh học vĩ mô nhưng chúng không đủ tinh vi để tiếp cận các thành phần sinh học có kích cỡ nhỏ. Do đó cần thiết phải sử dụng mạng cảm biến để theo dõi chi tiết các thành phần sinh học một cách đầy đủ. - Phát hiện lũ lụt: một ví dụ về ứng dụng phát hiện lũ lụt là hệ thống ALERT được triển khai tại Mỹ. Nhiều kiểu cảm biến được triển khai trong hệ thống ALERT là các cảm biến về lượng mưa, mức nước và thời tiết. Các cảm biến này cung cấp thông tin cho hệ thống cơ sở dữ liệu trung tâm. Các dữ liệu này được tính toán, phân tích để đưa ra dự báo về tình hình nguy cơ lũ lụt. - Trong nông nghiệp: Một ví dụ cơ bản của việc sử dụng các mạng cảm biến không dây trong nông nghiệp là đo đạc lượng mưa. Các trang trại trồng trọt và các trang trại chăn nuôi lớn có thể vượt quá vài dặm vuông, và chúng có thể chỉ nhận được lượng mưa rời rạc và chỉ có một vài vị trí trên trang trại. Tưới nước là rất đắt, vì vậy quan trọng là biết được các cánh đồng nào đã nhận được mưa, mục đích là việc tưới nước có thể bị bỏ qua, và chỉ có những cánh đồng nào không có và phải được tưới. Một ứng dụng như vậy là ý tưởng cho các mạng cảm biến không dây. Số lượng dữ liệu gửi qua mạng có thể rất chậm (chậm bằng một bit – “yes hoặc no” - với đáp ứng là truy vấn “Hôm nay trời có mưa hay không”) và trễ bản tin có thể theo trình tự vài phút. Bây giờ, giá cả thấp, và mức tiêu thụ nguồn phải đủ thấp cho mạng nguyên khối đến cuối mùa sinh trưởng. Mạng cảm biến không dây là khả năng nhiều hơn các phép đo lường độ ẩm của đất, tuy nhiên, bởi vì mạng có thể được thích hợp với một số lượng các loại near-infinite các cảm biến hoá học và sinh học. Dữ liệu được cung cấp bởi một mạng như vậy là khả năng để cung cấp, người nông dân với một cái nhìn sinh động về độ ẩm của đất; nhiệt độ; cần cho thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, và phân bón; ánh nắng nhận được; và nhiều con số khác. Kiểu ứng dụng này là vấn đề quan trọng đặc biệt trong vườn nho, nơi mà những thay đổi môi trường nhạy cảm có thể ảnh hưởng lớn đến giá trị vụ mùa và làm thế nào được sử lý. Các tính năng quyết định của nhiều mạng cảm biến không dây cũng được sử dụng trong các hệ thống điều khiển tiên tiến để cho phép khả năng tự của thiết bị nông trại. Đỗ ngọc Anh - D2001VT

- 45 -



Các ứng dụng của các mạng cảm biến không dây cũng được sử dụng trên các trang trại chăng nuôi. Người chăn nuôi có thể sử dụng các mạng cảm biến trong quá trình quyết định vị trí của động vật trong trang trại và với các cảm biến được gắn theo mỗi động vật, xác định yêu cầu cho các phương pháp điều trị để phòng chống các động vật ký sinh. Người chăn nuôi gia xúc có thể sử dụng cảm biến không dây để quyết định sự bắt đầu mạnh mẽ của quá trình động hớn trong đàn, một, một bộ xử lý bằng tay labor-intensive hiện đang sử dụng. Người chăn nuôi lợn hoặc gà có các đàn trong các chuồng nuôi mát, thoáng khí. Mạng cảm biến không dây có thể được sử dụng cho việc giám sát nhiệt độ khắp chuồng nuôi, giữ cho an toàn cho đàn.

2.2 Một ứng dụng giám sát môi trường sống - đảo Great Duck Island COA (The college of the Atlantic) là trường kiểm tra các mạng cảm biến tại chỗ cho giám sát môi trường sống. COA trang bị đến chương trình kiểm tra trường trên các hòn đảo từ xa với hạ tầng on-site bền vững và hỗ trợ hậu cần. GDI (Great Duck Island) (44.09 N, 68.15 W) là một hòn đảo rộng 237 acre cách 15km về phía nam đảo Mount Desert Island, Maine. Nature Conservancy, State of Maine, và COA nắm giữ nhiều hòn đảo theo thời gian thoả thuận thuê mượn. Mainwaring et al. (2002) được quân tâm chính trong 3 câu hỏi trong việc giám sát đàn chim hải âu của Leach tại GDI: (1) Mô hình sử dụng gì của các hang làm tổ thông qua chu kỳ 24-72h khi một hoặc cả hai thành viên của một cặp sinh sản có thể làm nhiệm vụ luân phiên ấp trứng với quá trình chăm sóc tại bờ biển? (2) Những thay đổi gì có thể được theo dõi trong hang và các tham số môi trường trong suốt tiến trình trong mùa sinh sản khoảng 7 tháng (tháng 4 đến tháng 10)? (3) Những sự khác biệt nào trong những môi trường vi nhỏ với và không cần số lượng lớn của tổ chim hải âu? Mỗi câu hỏi trong ba câu có các yêu cầu về dữ liệu đơn nhất và các tốc độ dữ liệu thu được phù hợp. Dữ liệu hiện có/hoặc chưa có phù hợp nhất để có được thông qua phát hiện thời gian chiếm đóng và sự chênh lệch nhiệt độ giữa các hang với những chú chim đã trưởng thành và các hang chứa đựng trứng, chim non hoặc rỗng. Chim hải âu không thể về hoặc rời tổ trong suốt ban ngày trong Đỗ ngọc Anh - D2001VT

- 46 -



thời gian 24h, nhưng khoảng chừng 5-10 phút trong suốt thời gian buổi tối hoặc sáng sớm là cần thiết để có thời gian trở về hoặc rời tổ. Nhiều sự sự khác biệt hơn của môi trường chung giữa hang và các điều kiện giao diện trong suốt mùa sinh sản mở rộng có thể được nắm bắt bởi việc ghi lại trong 2-4h, trong khi có sự khác biệt về vị trí phổ biến và không phổ biến từ các mẫu liên tục, đặc biệt tại đầu mùa sinh sản. Thật không thể rằng một tham số được ghi lại bởi các cảm biến không dây có thể quyết định tại đàn chim hải âu chọn một vị trí tổ đặc biệt. Tuy nhiên, nhờ tạo ra nhiều phép đo các mô hình dự báo trước có khả năng thay đổi có thể được triển khai. Các mô hình này có tương quan với những điều kiện của các loài chim biển.

2.2.1 Các yêu cầu cho giám sát môi trường sống trên đảo GDI Truy cập Internet : Các mạng cảm biến tại GDI phải có thể được truy cập thông qua Internet. Một khía cạnh chủ yếu của các ứng dụng giám sát môi trường sống là có khả năng hỗ trợ các tương tác từ xa với các mạng in-situ. Mạng lưới : Trạm quan sát tại GDI yêu cầu yêu cầu tài nguyên phải đầy đủ từ các kết nối host Internet và các hệ thống cơ sở dữ liệu. Tuy nhiên, môi trường sống của sự quan tâm về kỹ thuật được định vị xa hơn vài km. Tầng thứ hai của mạng không dây cung cấp các kết nối đến nhiều mảng của mạng cảm biến được triển khai tại mỗi mảng trong vùng đã quan tâm. Ba đến bốn mảng của 100 node cảm biến (không phải di động) có đủ khả năng để bắt đầu. Tuổi thọ mạng cảm biến: Các mạng cảm biến thực thi khoảng 9 tháng từ các nguồn năng lượng không cần nạp lại được sử dụng. Thông qua việc nghiên cứu trạng thái sinh học tại GDI kéo dài nhiều vùng mùa, các vùng mùa riêng rẽ điển hình thay đổi từ 9 đến 12 tháng. Sự thay đổi mùa phù hợp với động vật và thực vật trong mối quan tâm quyết định rõ thời gian tồn tại của chúng. Quản lý qua khoảng cách at-a-distance (tại một khoảng cách) : Cơ sở hạ tầng giám sát môi trường sống phải được giữ kín đáo. Nó sẽ không phá vỡ các khối xử lý tự nhiên hoặc cách thức dưới dạng nghiên cứu. Di chuyển sự có mặt của con người từ các vùng nghiên cứu cho cả việc loại bỏ nguồn lỗi và sự thay đổi trong tập dữ liệu, thích hợp như một nguồn quan trọng của tập âm khí quyển. -


- 47 -



Phân lịch hệ thống : Từ cả hai, một là hệ thống và phối cảnh người sử dụng đầu cuối, thực sự tới hạn mà các mạng cảm biến thể hiện trạng thái ổn định, để dự báo trước, và công việc được phân lại bất cứ khi nào có thể. Một hệ thống không thể dự báo trước là rất khó để gỡ rối và bảo trì. Quan trọng hơn, việc dự báo là vấn đề cốt yếu trong quá trình phát triển với sự tin cậy vào các kỹ thuật mới này cho các life scientists. Các tương tác tại chỗ in-situ : Mặc dù đa phần tương tác với các mạng cảm biến được mong chờ thông qua mạng Internet, các tương tác nội hạt được yêu cầu trong việc phát triển ban đầu và trong các tác vụ bảo trì. Các PDA cung cấp một vai trò quan trọng trong quá trình trợ giúp với các tác vụ này. Chúng có thể truy vấn một cảm biến trực tiếp, căn chỉnh các tham số vận hành, hoặc trợ giúp đơn giản trong quá trình sắp đặt các thiết bị. Các cảm biến và quá trình lấy mẫu: Với các ứng dụng cụ thể đó, khả năng cảm biến ánh sáng, nhiệt độ, hồng ngoại, độ ẩm tương đối, và áp lực không khí cung cấp một tập cốt yếu các đo lường hữu ích. Khả năng cảm biến hiện tượng bổ xung, ví dụ như gia tốc/vận tốc, cân nặng, hơi hoá học, sự tập trung hơi ga, nồng độ pH, và mức nhiễu cũng được sử dụng. Lưu trữ dữ liệu: cảm biến lưu trữ đọc ra từ bộ lưu trữ dữ liệu offline và phân tích dữ liệu này là cần thiết. Quá trình tải xuống tin cậy của cảm biến đăng nhập đến các cơ sở dữ liệu trong thiết bị nguồn hữu tuyến là một khả năng cần thiết. Muốn để rải xuống và thăm rò các cảm biến riêng rẽ tương tác lẫn nhau, hoặc một tập con các cảm biến, trong các nghiên cứu dựa trên đăng nhậpthành phần thời gian thực gần nhất. Trong chế độ vận hành này, thời gian phát tán của dữ liệu cảm biến là trọng tâm. Cưối cùng, các tổng hợp dữ liệu node và giám sát thể trạng theo chu kỳ yêu cầu thời gian phát tán. -

Một kiến trúc xếp tầng được chỉ ra tại hình 2.1. Mức thấp nhất bao gồm các node cảm biến để thi hành mục đích chung tính toán và liên mạng trong bổ xung đến cảm biến chỉ định ứng dụng. Các node cảm biến có thể được triển khai trong các mảng đông đúc nằm riêng rẽ rộng. Các node cảm biến truyền dẫn dữ liệu thông qua mạng cảm biến đến gateway mạng cảm biến. Gateway chịu trách nhiệm truyền dẫn dữ liệu cảm biến từ mảng cảm biến, thông qua một mạng truyền dẫn nội hạt, đến trạm gốc từ xa được cung cấp kiểu kết nối WAN và đăng nhập dữ liệu. Trạm gốc kết nối đến các bản sao cơ sở dữ liệu xuyên qua mạng Internet. Dữ liệu được hiển thị đến các nhà khoa học thông qua một giao diện Đỗ ngọc Anh - D2001VT

- 48 -



người sử dụng. Các thiết bị di động, xem như là “gizmo”, có thể tương tác với nhiều thiết bị của mạng dù có được sử dụng trong các trường hoặc thông qua các kết nối với thế giới bên ngoài đến một hệ thống cơ sở dữ liệu.

Hình 2.1: Kiến trúc hệ thống cho giám sát môi trường sống

Mức thấp nhất của ứng dụng cảm biến được cung cấp bởi các node cảm biến tự trị. Loại nhỏ này, các thiết bị nguồn mức thấp được đặt trong các vùng quan tâm và mỗi một vùng tập hợp thành dữ liệu môi trường, chủ yếu là gần vùng lân cận của nó. Bởi vì nó được đặt kín trong hiện tượng cần quan tâm, một cảm biến thường có thể được xây dựng nhờ sử dụng các cảm biến riêng biệt nhỏ và rẻ. Giải pháp không gian mức cao có thể được hoàn tất bởi sự phát triển đông đúc của các node cảm biến. So sánh với các phương pháp truyền thống, sử dụng một vài cảm biến chất lượng cao với quá trình sử lý tín hiệu tinh vi, kiến trúc này cung cấp sức mạnh cao hơn để chống lại tắc nghẽn và các lõi thành phần. Modul máy tính là một đơn vị có thể lập trình cung cấp máy tính, bộ lưu trữ, truyền thông hai chiều với các node khác trong hệ thống. Modul máy tính giao diện với các cảm biến tương tự và số trên module cảm biến, thực hiện quá trình xử lý tín hiệu cơ bản, phát tán dữ liệu theo các yêu cầu của ứng dụng. So sánh với các hệ thống đăng nhập dữ liệu truyền thống, các cảm biến mạng đề nghị hai cải tiến lớn: chúng có thể được nhận lại nhiệm vụ trong các trường và chúng có


- 49 -



thể dẽ dàng truyền thông với khi hệ thống nghỉ. In-situ Retasking cho phép các nhà khoa học tập trung lại các quan sát dựa trên việc phân tích các kết quả ban đầu. Giả định rằng ban đầu chúng ta muốn tập hợp các số liệu ghi nhiệt độ tuyệt đối, tuy nhiên sau khi làm sáng tỏ dữ liệu ban đầu chúng ta có thể thấy rõ được rằng những thay đổi nhiệt độ quan trọng vượt quá một ngưỡng được định nghĩa mà được quan tâm nhất. Các node cảm biến riêng lẻ truyền thông và kết hợp cộng tác với một node khác. Các cảm biến điển hình hình thành một mạng multihop nhờ gửi đi các bản tin của mỗi node khác, với các lựa chọn kết nối mở rộng rất lớn. Nếu thích hợp, mạng có thể thực thi hội tụ trong mạng (ví dụ báo cáo nhiệt độ trung bình qua một vùng). Cấu trúc truyền thông mềm dẻo này cho phép chúng ta cung cấp một mạng để phát tán dữ liệu yêu cầu trong khi hội nghị các yêu cầu năng lượng. Cuối cùng, dữ liệu từ mỗi node cảm biến yêu cầu được quảng bá đến mạng Internet. Dữ liệu quảng bá có thể có thể là thô, đã được lọc, hoặc được xử lý. Trên hướng đi, kết nối diện rộng đến mỗi đường dẫn cảm biến không thể thực hiện được, thiết bị quá đắt, nó yêu cầu quá nhiều năng lượng và phải cài đặt tất cả thiết bị yêu cầu là sự thâm nhập tương đối đến môi trường sống. Thay vì, kết nối diện rộng được chuyển đến một trạm gốc, nguồn tương ứng và bộ lưu trữ cho yêu cầu được cung cấp. Trạm gốc có thể truyền thông với mảng cảm biến sử dụng mạng WLAN. Các mạng vô tuyến là những thuận lợi đặc biệt do đó mỗi môi trường sống bao gồm giám sát một vài vùng quan tâm đặc biệt, mỗi vùng với một mảng cảm biến riêng rẽ một mình của nó. Mỗi mảng cảm biến được trang bị một gateway để có thể truyền thông với mạng cảm biến cung cấp kết nối đến mạng truyền dẫn. Mạng truyền dẫn có thể bao gồm một liên kết hop đơn hoặc một chuỗi các node không dây mạng, có thể nằm trong một đường từ gateway đến trạm gốc. Mỗi thiết kế mạng truyền dẫn có những đặc trưng khác nhau đối với tình trạng sức khoẻ được mong đợi, băng tần, hiệu quả năng lượng, giá, khả năng quản lý. Để cung cấp dữ liệu đến các đầu cuối từ xa, trạm gốc bao gồm kết nối WAN và bộ lưu trữ dữ liệu liên tục cho tập các mảng cảm biến. Khi nhiều môi trường sống được quan tâm nằm tương đối xa, kết nối WAN có thể là vô tuyến (ví dụ hai chièu vệ tinh). Với các thành phần tin cậy, đã khép kín trong các vùng bảo vệ về mặt môi trường và được cung cấp với nguồn tương ứng. Trong nhiều môi trường khi các điều kiện có thể được cung cấp tương đối dễ dàng tại một trạm miền. Đỗ ngọc Anh - D2001VT

- 50 -



Kiến trúc đề địa chỉ khả năng phân tách tại mọi mức. Mỗi lớp (các node cmả biến, các gateway, các trạm gốc) có nhiều bộ lưu trữ liên tục để bảo vệ dữ liệu chống lại việc tổn thất dữ liệu trong trường hợp thiếu nguồn. Mỗi lớp cũng cung cấp các dịch vụ quản lý dữ liệu. Tại mức cảm biến, chúng mang theo một dạng đăng nhập dữ liệu. Trạm gốc đưa ra một dịch vụ cơ sở dữ liệu kiểu quan hệ đầy đủ. Quản lý dữ liệu tại các gateway chuyển xuống một nơi bất kỳ nào đó giữa chúng, chúng cho phép nhiều dịch vụ cơ sở dữ liệu, nhưng thông qua cửa sổ giới hạn dữ liệu. Trong khi có nhiều kiểu truyền thông có thể không tin cậy, khi nó đi đến tập dữ liệu, long-latency thích hợp hơn với kiểu tổn thất dữ liệu. Với loại truyền thông này, một mẫu truyền dẫn giam cầm, tương tự như những bản tin SMTP hoặc bó, có thể được sử dụng. Người sử dụng tương tác với dữ liệu mạng cảm biến trong chế độ hai chiều. Người sử dụng từ xa có thể truy cập bản sao cơ sở dữ liệu trạm gốc (trong trường hợp thoái hoá chúng tương tác trực tiếp với cơ sở dữ liệu). Phương pháp tiếp cận này cho phép dễ dàng tích hợp phương phân tích dữ liệu và các công cụ nhỏ, trong khi tạo mặt nạ với những phân tách diện rộng tiềm ẩn với các trạm gốc. Điều khiển từ xa trong mạng cũng được cung cấp thông qua giao điện cơ sở dữ liệu. Mặc dù giao diện điều khiển này đầy đủ cho người sử dụng từ xa, người sử dụng on-site thường yêu cầu một tương tác trực tiếp hơn với mạng. Với một thiết bị nhỏ, thiết bị cỡ PDA, quy vào giống như một gizmo, cho phép tương tác như vật. Gizmo có thể truyền thông trực tiếp với các mảng cảm biến, cung cấp tương tác của người sử dụng điều khiển các tham số mạng nhờ điều chỉnh các tốc độ lấy mẫu, các tham số quản lý nguồn, và các tham số mạng khác. Kết nối giữa nhiều node cảm biến và gizmo không phải tin cậy vào hoạt động định tuyến mạng cảm biến multi-hop, thay vì người sử dụng truyền thông trực tiếp với mạng mote, tin cậy vào gần hop đơn.

2.2.2 Các kế hoạch thi hành a/ Node mạng cảm biến

Các hạt bụi được sử dụng như là các node cảm biến. Thành viên trong họ bụi được gọi là Mica, sử dụng một kênh đơn, tần số vô tuyến 916 MHz từ khối RF cung cấp truyền thông hai chiều tại 40kps, một vi điều khiển Atmel Atmega 103 chạy tại tần số 4 MHz, và có thể quan tâm đến giá trị bộ nhớ không bay hơi (512kb), Một đôi nguồn pin AA thông thường và một bộ chuyển đổi tăng thế DC cung cấp một nguồn điện áp ổn định, thông qua các nguồn năng lượng có khả năng hồi phục khác có thể được sử dụng một cách dễ dàng. Node có kích thước nhỏ và vào khoảng 2.0× 1.5×0.5 inches. Đỗ ngọc Anh - D2001VT

- 51 -



b/ Board cảm biến

Một board cảm biến giám sát môi trường được sử dụng để cung cấp các phép đo lường. Mica Weather Board cung cấp các cảm biến để giám sát giám sát sự thay đổi các điều kiện môi trường với các chức năng giống nhau như một trạm dự báo thời thiết truyền thống. Mica Weather Board bao gồm các cảm biến nhiệt độ, quang trở, áp suất khí áp, độ ẩm, hồng ngoại thụ động (nhiệt điện). Module áp suất khí áp là một cảm biến số được sản xuất bởi hãng Intersema. Cảm biến có độ nhạy từ 0.1 mbar áp suất và có một dải áp suất tuyệt đối từ 300 đến 1100mbar. Module được định chỉnh trong suốt quá trình sản suất và các hệ số định chỉnh được lưu trữ trong bộ nhớ cố định EEPROM. Module áp suất bao gồm một cảm biến nhiệt độ định chỉnh để bù lại các xác nhận áp xuất khí áp chưa xử lý. Cảm biến độ ẩm được sản xuất bởi General Eastern. Nó là một cảm biến điện dung polymer sản xuất với điện dung trong khoảng 1pF (sai số ± 3%). Phần tử cảm biến bao gồm một lớp vỏ kim loại phân cực bao lấy lớp polimer cảm biến độ ẩm. Cảm biến được module bởi bộ định thời 555 CMOS để cảm biến tích điện trong tụ điện và được lọc thông qua mạch RC. Điện áp kết quả thu được khuếch đại bởi một bộ khuếch đại cho cảm biến rộng hơn qua dải độ ẩm tương đối 0 đến 100%. Pin nhiệt điện là một cảm biến hồng ngoại thụ động sản xuất bởi Melexis. Sức nóng từ các hộp đen trong trường cảm biến trong tầm cảm biến là nguyên nhân gây ra sự khác biệt nhiệt độ giữa mối hàn lạnh và màng của pin nhiệt điện. Sự khác biệt nhiệt độ được biến đổi thành một điện thế điện tử nhờ hiệu suất nhiệt điện trong các mối hàn nhiệt điện. Cảm biến không yêu cầu điện áp cung câp. Pin nhiệt điện bao gồm một thermistor trong khối silicon và thermistor có thể được sử dụng để đo lường nhiệt độ của cold junction trên pin nhiệt điện và tính toán độ chính xác nhiệt độ hộp đen. Quang trở là một biến trở trong mạch chia điện áp. Mức chia điện áp được đo bởi ADC. Loại cảm biến nhiệt độ cuối cùng là một cảm biến định chỉnh số mà truyền thông qua I2 C bus. Sự kết hợp đơn nhất của các cảm biến có thể được sử dụng cho một số lượng lớn các hoạt động tập thể. Pin nhiệt điện có thể được sử dụng trong các mối hàn với thermistor và quang trở để phát hiện đám bụi trôi qua. Pin nhiệt điện cũng có thể được sử dụng để phát hiện sự chiếm đóng, đo lường nhiệt độ các đối tượng ở gần (ví dụ, một con chim hoặc một tổ chim), và cảm biến những thay đổi trong nhiệt độ của các đối tượng. Nếu độ cao ban đầu chưa được biết, module đo khí Đỗ ngọc Anh - D2001VT

- 52 -



áp có thể được sử dụng như một dụng cụ đo độ cao. Các board cảm biến trong vị trí chiến lược với các cảm biến áp suất khí áp có thể phát hiện ra tốc độ và hướng gió nhờ bắt trước hướng gió giống như dòng chảy chất lỏng qua chuỗi các khe hở. Một bộ biến đổi Analog sang số I2C được tách rời từ board xử lý Mica để cung cấp thêm độ mềm dẻo lớn hơn trong việc phát triển các thành phần để giảm mức tiêu thụ nguồn. ADC sử dụng nguồn thấp hơn so với bộ xử lý Atmel trên Mica, có thể được sử dụng song song với bộ xử lý hoặc bộ truyền dẫn vô tuyến trên Mic, và có thể được điều khiển trong các chế độ nguồn thấp khác nhau và chế độ ngủ đông. Thêm nữa board cảm biến bao gồm một chuyển mạch nguồn I2 C 8× 8 để cho phép các thành phần riêng rẽ trên board được bật hoặc tắt. Mỗi chuyển mạch có thể được điều khiển độc lập với các chuyển mạch khác, thêm nữa để giảm mức tiêu thụ nguồn. MWB được thiết kế với khả năng thao tác với các phần trong chúng. Mica bao gồm một connector mở rộng 51 chân. Connector cho phép các board cảm biến ngăn xếp lên trên nhất với các thành phần khác. Thay vì cho phép mỗi board thay nhau kết nối đến các chân connector, một giao thức truy nhạp được sử dụng. Mica se thay đổi giá trị một chuyển mạch trên board cảm biến sử dụng bus I2 C. Thay đổi giá trị chuyển mạch gây ra mức logic phần cứng của board cảm biến để truy nhập tài nguyên Mica. Khi một board truy nhập, nó có thể sử dụng nguồn, ngắt, ADC và đường EEPROM để kết nối trực tiếp đến bộ vi xử lý và các thành phần trên board xử lý Mica. c/ Khối năng lượng

Nhiều ứng dụng giám sát môi trường sống cần chạy với thời gian 9 tháng, theo suốt thời gian trong mùa sinh sản. Mica chạy trên một đô nguồn pin AA với dung lượng điển hình 2.5 Ah. Một mức ước lượng trung bình mà nguồn cung cấp 2200 mAh tại mức điện áp 3V. Hệ thống điều khiển không giống nhau thông qua thời hạn phát triển, và mỗi node có 8.148 mAh trên mỗi ngày để sử dụng. Ứng dụng chọn cách để thiết lập vị trí khối năng lượng giữa các chế độ ngủ, cảm biến, tính toán nội bộ và truyền thông với nhau. Các node khác nhau trong mạng có các chức năng khác nhau, và chúng cũng có những yêu cầu nguồn rất khác nhau. Các node gần gateway yêu cầu chuyển tất cả các bản tin trong mảng, nhưng ngược lại một node trong một


- 53 -



tổ có thể báo cáo các bản reading của nó. Khi nguồn bị giới hạn, các node tiêu thụ hết nguồn, mạng được tách ra. Nguồn tối thiểu trong chế độ ngủ bao gồm chế độ khoá các cảm biến, máy thu vô tuyến, đặt bộ xử lý vào trong chế độ ngủ. Các chân I/O của bộ vi điều khiển yêu cầu được đặt vào trạng thái pull-up bất cứ khi nào yêu cầu, giống như chúng có thể đóng góp gấp nhiều lần so với dòng rò 100 µ A. Kiến trúc Mica sử dụng một máy tăng thể DC để cung cấp điện áp ổn định từ các nguồn pin kiềm giảm xuống. Khi không tải, máy tăng thế kéo dòng từ 200 µ A đến 300µ A, phụ thuộc vào điện thể nguồn pin. Trong khi các chức năng này là cốt yếu cho việc đọc và truyền thông cảm biến dự báo trước, nó không cần thiết trong chế độ ngủ đông. Dòng điện kéo của bộ vi xử lý tỷ lệ với điện áp cung cấp. d/ Các gateway Patch

CerfCubes là một hệ thống nhỏ, hệ thống nhúng dựa trên StrongArm đóng vai trò như một gateway mảng cảm biến. Mỗi gateway được trang bị một bộ thích ứng Compact Flash 802.11b. Các CerfCube chạy một phiên bản nhúng của hệ điều hành Linux. Bộ lưu trữ cố định có số lượng lớn, và gateway có thể sử dụng IBM MicroDrive nó cung cấp bộ nhớ lên tới 1Gb. Để đáp ứng các yêu cầu nguồn CerfCube, một panel năng lượng mặt trời cung cấp công suất 60 đên 120W trong trường hợp đủ nắng được kết nối đến một nguồn pin có thể nạp lại với dung sai 50 đến 100 Watt-hour (ví dụ accu chì xit kín). CerfCube với một antenna 2.4GHz phát xạ mọi hướng 12dbi cung cấp một dải hoạt động xấp xỉ khoảng 1000 feet. Trong giải pháp mote-to-mote, một hạt cảm biến được kết nối đến một trạm gốc và một hạt cảm biến nằm trong mảng cảm biến. Cả hai hạt cảm biến đều được kết nối đến antenna Yagi 916Mhz định hướng 14 dbi có dải hoạt động lớn hơn 1200feet.Sự khác biệt giữa hạt cảm biến và CertCube gồm có một tần số truyền thông khác nhau và các yêu cầu về nguồn, các thành phần phần mềm. Lớp MAC của hạt không yêu cầu một liên kết song hướng giống như 802.11 b. Thêm nữa, hạt cảm biến gửi dữ liệu thô với một tiêu đề gói nhỏ trong 4 byte trực tiếp qua kênh vô tuyến, trái với các overhead được thiết lập bởi 802.11b và các kết nối TCP/IP. Giải pháp hạt cho gateway được sử dụng là nguyên nhân gây ra hiệu quả sử dụng nguồn. e/ Cài đặt trạm gốc


- 54 -



Tập các mảng cảm biến được nối đến Internet thông qua một liên kết diện rộng. Trên GDI, Internet được kết nối thông qua kết nối vệ tinh hai chiều. Hệ thống vệ tinh được kết nối đến một máy tính xách tay, kết hợp với các mảng cảm biến và cung cấp một dịch vụ cơ sở dữ liệu kiểu quan hệ. Trạm gốc có chức năng như một hệ thống khoá quay vòng, và thực thi không cần giám sát. f/ Hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu

Cơ sở dữ liệu lưu trữ các phép thu nhận time-stamped từ các cảm biến, trạng thái thể chất của các cảm biến riêng rẽ, siêu dữ liệu (ví dụ các vị trí các cảm biến). Cơ sở dữ liệu GDI được tái tạo cứ sau 15 phút một lần thông qua liên kết vệ tinh diện rộng. Trong quá trình giám sát môi trường sống, mục đích cơ bản cuối cùng là tập hợp dữ liệu; tốc độ lấy mẫu và độ chính xác của các phép đo thường đọc ra bởi các chỉ định bên ngoài. Cho mọi cảm biến, có chi phí cho quá trình thu một mẫu đơn giản. chi phí của quá trình xử lý và nén dữ liệu được thương mại đối nghịch lại với chi phí truyền dẫn dữ liệu. Năng lượng được phân phối cho quá trình lấy mẫu các cảm biến và truyền thông các kết quả, bảo trì các giao thức MAC mạng, thể chất và trạng thái, các bảng định tuyến và truyền dẫn các bản tin mạng. Các tác vụ này hoặc không được lập lịch chặt chẽ hoặc chạy theo yêu cầu. Tại một mức cao nhất, hệ thống được lập lịch tại mọi mức, từ truy nhập TDMA đến kênh vô tuyến, thông qua bộ tương thích lập lịch của các bộ định tuyến và chất lượng kênh. Chi phí overhead được trả trước và cố định. Một hệ thống TDMA được trông đợi để thực hiện tốt hơn nếu mạng tương đối không thay đổi. Tại mức khác, một kênh hailing nguồn mức thấp có thể được sử dụng để tạo ra sự đồng bộ theo yêu cầu giữa một bộ gửi và bộ nhận. Overhead dịch vụ tỷ lệ với mức sử dụng dịch vụ. Phương pháp này có thể mạnh mẽ hơn những thay đổi đột ngột trong mạng, tại mức tiêu thụ chi phí thêm. Cuối cùng, phương pháp lai ghép được chấp nhận, nơi mà mỗi dịch vụ thực hiện trong một kiểu theo yêu cầu, nhưng chu kỳ thời khi yêu cầu có thể xuất hiện được lập lịch cho nền tảng gốc. Các kiểu truyền thông hiệu năng nguồn cho giám sát môi trường sống bao gồm một tập các thuật toán định tuyến, các thuật toán truy nhập môi trường, và quản lý truy nhập phần cứng. Các thuật toán định tuyến được biến đổi thích ứng cho truyền thông mạng hiệu năng trong bảo trì kết nối khi được yêu cầu nguồn hoặc các gói chuyển tiếp. Đỗ ngọc Anh - D2001VT

- 55 -



Một giải pháp định tuyến đơn giản cho các mạng cảm biến chu kỳ công suất thấp đơn giản để quảng bá dữ liệu đến một gateway trong suốt chu kỳ truyền thông lập lịch. Phương pháp này đạt hiệu quả tốt nhất khi dữ liệu chỉ được truyền thông trong một hướng và không phụ thuộc vào các node xung quanh cho việc chuyển tiếp các gói trong kiểu multi-hop. Triển khai định tuyến trên GDI là một kiến trúc phân cấp. Các node cảm biến trong các mảng chỉ được truyền dẫn với một chu kỳ công suất thấp và chúng được lấy mẫu một lần trên một giây. Bụi gateway được cấp nguồn đầy đủ nhờ nguồn năng lượng mặt trời, vì vậy nó luôn gửi và chuyển tiếp các gói đến trạm gốc. Một giao thức lập lịch multi-hop được sử dụng để tập hợp, kết hợp và truyền thông dữ liệu. Phương pháp này giống như GAF và Span (một thuật toán ngang hàng hiệu quả năng lượng cho bảo trì topology trong các mạng không dây chuyên dụng) được sử dụng để kéo dài tuổi thọ của mạng nhờ việc lựa chọn các miêu tả tham gia trên mạng, bằng cách ấy sẽ giảm mức tiêu thụ nguồn trung bình trên mỗi node. Mặc dù các phương pháp này cung cấp các nhân tố 2 đến 3 lần lâu hơn để vận hành mạng, ứng dụng của chúng ta yêu cầu một nhân tố 100 lần lâu hơn để vận hành mạng, khi các node cảm biến hoạt động tại hầu hết 1.4h mỗi ngày. GAF và Span không gây nên việc lấy mẫu không thường xuyên nhưng đúng hơn là duy trì kết nối và vận hành mạng. Lập lịch định tuyến multi-hop hoặc các giao thức MAC nguồn thấp được tăng lên với GAF và/hoặc Span để cung cấp các cách tiết kiệm nguồn truyền thống. GAF và Span là phần độc lập tần số truyền thông, nhưng ngược lại ứng dụng của chúng ta yêu cầu gia tăng các cách tiết kiện nguồn để có thể hoàn tất nhờ điều chỉnh tần số truyền thông. Với sự lựa chọn, các giao thức MAC nguồn thấp có thể được sử dụng. Nhờ quá trình quyết định chu kỳ công suất, chúng ta có thể tính toán tần số với các mẫu vô tuyến cho một kí hiệu bắt đầu. Mở rộng, ký hiệu bắt đầu khi quá trình phát truyền các gói, chúng ta có thể so khớp với chiều dài của kí hiệu bắt đầu với tần số lấy mẫu. Các giao thức MAC nguồn thấp khác, giống như S-MAC (Sensor-MAC) và Aloha với quá trình lấy mẫu preamble, tận dụng các kỹ thuật tương tự để tắt bộ thu phát vô tuyến trong các chu kỳ rỗi để giảm mức tiêu thụ nguồn.


- 56 -

Đồ án tốt nghiệp Đại học mạng...

Chương 3. Mô hình hóa và phần mềm mô phỏng

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH HOÁ VÀ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 3.1 Mô hình hoá mô phỏng Trên cơ sở phân tích bài toán mô phỏng và xác định rõ mục tiêu và kế hoạch, việc Mô hình hoá mô phỏng nhằm trừu tượng hoá hệ thống thực bằng mô hình khái niệm, một tập các quan hệ toán học và logic liên quan đến các thành phần và cấu trúc của hệ thống. Việc xây dựng mô hình là cực kì quan trọng. Mô hình được xây dựng càng chi tiết và tổng quát thì mô phỏng càng gần thực tế. Ngoài ra, tính hiệu quả và khả năng mở rộng, tức là có thể sử dụng làm nền để phát triển thêm, của mô hình cũng rất được quan tâm. Ngoài ra, vì việc xây dựng một mô hình chi tiết, tổng quát cho toàn hệ thống là rất khó thực hiện nên thường việc mô hình hoá sẽ tập trung vào các vấn đề cần quan tâm trong hệ thống, các phần khác chỉ cần đảm bảo mức độ chính xác trong các ảnh hưởng của chúng tới hệ thống. Hiện nay, có rất nhiều mô hình mô phỏng mạng cảm biến không dây đã được xây dựng. Mỗi mô hình đặt trọng tâm vào các vấn đề cần quan tâm trong mạng có thể là hoạt động của các lớp cao, dạng tín hiệu vật lý, hay về vấn đề năng lượng, v.v... Phần tiếp theo sẽ giới thiệu hai trong số các mô hình này.

3.1.1 Mô hình SWAN theo dõi mức độ ô nhiễm môi trường a/ Kịch bản mô phỏng

Mô hình này được xây dựng để mô phỏng hoạt động của mạng cảm biến không dây với ứng dụng theo dõi sự ô nhiễm do hoá chất rò rỉ từ các đường ống dẫn. Mô hình được xây dựng bởi viện công nghệ bảo mật, trường cao đẳng Dartmouth (Institute for Security Technology Studies (ISTS) Dartmouth College) kết hợp với viện công nghệ BBN. Hình 3.1 minh hoạ kế hoạch triển khai thực tế của các cảm biến. Nút giám sát (Monitor) được đặt trong trường cảm biến. Trong bản đồ này, màu nền biểu thị mức độ ô nhiễm hoá chất thể hiện bằng cường độ tín hiệu có thể cảm biến được.


- 57 -



Hình 3.1: Kịch bản triển khai mạng cảm biến không dây theo dõi ô nhiễm hoá học trong thực tế. b/ Cơ cấu mô phỏng mở rộng Dartmouth

Tập đoàn S3 đã phát triển cơ cấu mô phỏng mở rộng SSF (Scalable Simulation Framework), một giao diện đơn giản cho việc xây dựng các mô hình mô phỏng. SSF cung cấp các mô hình với khả năng biểu diễn mối liên hệ của các thành phần trong mô hình một cách có hệ thống và có cấu trúc. Tổng thể mô phỏng được áp đặt bởi hệ giao tiếp lập trình ứng dụng API (Appl ication Program Interface) của SSF sẽ tách mô hình khỏi sự phức tạp của việc quản lý danh sách sự kiện và việc xử lý cụ thể theo thời gian. API định nghĩa năm lớp cơ bản: thực thể (entity), tiến trình (process), kênh ra (outChannel), kênh vào (inChannel) và sự kiện (event). Một đối tượng thực thể (entity) chứa các biến trạng thái và đối tượng tiến trình (process) mô tả các trạng thái biến đổi thế nào trong đáp ứng lại các tương tác với các thực thể khác theo thời gian. Mỗi thực thể có một liên kết thời gian giúp cho việc đồng bộ trong một trục thời gian cục bộ. Các thực thể có khả năng xem xét các biến trạng thái của các thực thể khác. Các liên kết thời gian cung cấp các đầu mối cơ bản cho việc lập trình sự kiện đồng thời để chắc chắn rằng


- 58 -



các trạng thái trong tương lai của một thực thể không ảnh hưởng tới các trạng thái trước của thực thể khác. Sự trao đổi số liệu giữa các thực thể được thực hiện thông qua một kênh biểu thị một dòng các sự kiện theo một phương hướng duy nhất giữa hai thực thể. Trong thực tế, kênh là một khái niệm được xây dựng bởi các định nghĩa và ánh xạ của hai lớp đối tượng: kênh ra (outChannel) và kênh vào (inChannel). Trong truyền thông xảy ra giữa hai thực thể, kênh ra của một thực thể phải được ánh xạ tới kênh vào của một thực thể khác. Cơ cấu mô phỏng mở rộng Dartmouth (DaSF) thực thi mô phỏng hệ thống với API của SSF. Từ nguyên dạng ban đầu, DaSSF được thiết kế cho các hệ thống hiệu năng cao, do đó, được áp dụng cho các nền máy tính song song. Tuy nhiên, nó cũng có thể chạy trong các hệ thống xử lý đơn. Qua các thí nghiệm quy mô lớn, DaSSF đã chứng tỏ hiệu năng cao trong các mô hình Internet đa giao thức với mười nghìn thực thể mạng phức tạp tốc độ lên tới một triệu sự kiện mạng một giây. Các thí nghiệm khác cũng chỉ ra rằng DaSSF có thể mô phỏng ba triệu thực thể mạng đơn giản. Trong trường hợp này, tốc độ xử lý gần tỷ lệ với số lượng bộ xử lý. DaSSF đạt được mục tiêu hiệu năng do áp dụng các kỹ thuật giảm đến mức tối thiểu bộ nhớ sử dụng và năng lực xử lý cho tiến trình. c/ Bộ định tuyến WiroKit của BBN

WiroKit được phát triển bởi viện công nghệ BBN là một bộ định tuyến di động cho các mạng Ad hoc không dây. Nó được thiết kế để chạy mà không cần sửa chữa trong mô phỏng hay trong nền phần cứng thực tế. Tức là các định nghĩa giao diện giống nhau được sử dụng trong mã chạy một mô phỏng và mã chạy bên trong đơn vị vô tuyến di động. Thiết kế này tuân theo phương pháp hướng đối tượng, trong thực tế, WiroKit được chứa hoàn toàn trong một đối tượng đơn. Đặc trưng này là yếu tố cần thiết cho các môi trường mô phỏng, vì nó cho phép nhiều bản sao của WiroKit thực thi trên một không gian địa chỉ đơn. Yêu cầu về nền máy tính để chạy WiroKit là rất thấp. Nó hoạt động hoàn toàn trên cơ sở mã cho các giao thức định tuyến, cơ chế chuyển tiếp, tiến trình đơn tuyến (thực hiện các công việc lần lượt theo một chuỗi) và quản lý hàng đợi, bộ nhớ. Hầu như không cần đến hệ điều hành mà chỉ cần đặt trong một nền máy tính mà WiroKit được phân một phần bộ nhớ tại thời điểm khởi động, truy nhập Đỗ ngọc Anh - D2001VT

- 59 -



theo thời gian thực và một khối lượng nhỏ nhất trong tổng chu trình đơn vị xử lý (CPU) cho việc thực thi chuỗi công việc chính. Đối tượng định tuyến WiroKit nhận các gói từ các lớp giao thức cao hơn, các gói này được tổ chức thành các khung phù hợp với bộ điều giải (Modem: modulator/demodulator) vô tuyến. Ngược lại, WiroKit nhận các khung từ bộ điều giải vô tuyến rồi tách thành các gói phù hợp với các giao thức bậc cao hơn. Trong WiroKit, bất kì giao thức định tuyến nào cũng có thể được sử dụng miễn là cùng một hệ giao tiếp lập trình ứng dụng (API). Tính linh hoạt này cho phép các đối tượng định tuyến này có thể ứng dụng vào mạng cảm biến không dây. Các giao thức định tuyến phân phối thông tin tới mọi nơi (“what is where”) trong mạng cảm biến, các node cảm biến sẽ chuyển tiếp thông báo (DatagramsForwarding) qua các liên kết để tới đích. Hiệu quả của hầu hết các giao thức này định tuyến tỷ lệ nghịch với số lượng node mạng. Chi phí của giao thức tăng theo bình phương (hoặc cao hơn) số lượng node mạng. Chi phí này có thể là lưu lượng điều khiển qua không gian, bộ nhớ node hay yêu cầu đơn vị xử lý (CPU) của node. Cơ chế chuyển tiếp các gói phi kết nối chịu trách di chuyển các bản tin qua các liên kết dọc theo đường từ nguồn tới đích. Việc này được hoàn thành nhờ việc phổ biến thông tin đến mọi nơi bởi các giao thức định tuyến. Có nhiều hiệu quả quan trọng trong cơ chế nay. Ví dụ như việc tập hợp các gói tin vào các khung vô tuyến đơn để tăng hiệu quả kênh truyền và giảm công suất tiêu thụ, tiến trình khi nhận tín hiệu vô tuyến có thể đưa vào trạng thái nghỉ để tăng tuổi thọ nguồn acquy và các hiệu quả tương tự. Trong thực tế, vấn đề quan trọng nhất của các cơ chế chuyển tiếp là thuật toán chuyển tiếp theo đường ngắn nhất tức là định hướng bản tin từ nguồn tới điểm thu qua số lượng đường truyền dẫn vô tuyến nhỏ nhất, WiroKit con tập hợp các gói vào một khung vô tuyến đơn. d/ Kiến trúc mô phỏng mạng cảm biến không dây Ad hoc (SWAN)

SWAN ra đời từ sự tích hợp của hai thành phần cơ bản là phần mềm DaSSF và WiroKit của BBN. Trong khi WiroKit cung cấp các chức năng định tuyến trong các mô hình mạng Ad hoc không dây thì DaSSF có nhiệm vụ gắn kết cấu trúc các mô hình con với nhau. Hình 3.2 chỉ ra các thành phần chính của SWAN và dòng số liệu giữa các thành phần này. Môi trường mô phỏng có bốn mô hình con chính: mô hình địa Đỗ ngọc Anh - D2001VT

- 60 -



lý (Terrain Model), mô hình phân tán chùm (Plume Disperson Model), mô hình kênh vô tuyến (RF Channel Model) và mô hình node (Node Model). Mô hình địa lý là một bản đồ tĩnh thống nhất trong cả mô hình phát tán chùm và mô hình vô tuyến. Vì cả hai mô hình này đều hoạt động trong cùng một môi trường địa lý nên chúng phải được định hướng theo cùng một sự mô tả. Theo đó, các cản trở trên đường truyền sóng vô tuyến cũng có mặt trên đường đi của các chùm tín hiệu từ các hiện tượng mục tiêu. Trong hoạt động hiện tại của SWAN, địa hình phẳng được sử dụng nên cả tín hiệu từ các hiện tượng và tín hiệu vô tuyến đều có thể phát tự do qua không gian giả định. Mô hình địa lý (Terrain Model) giữ vị trí rất quan trọng trong các phát triển xa hơn của cơ cấu này.

Hình 3.2: Cơ cấu SWAN

Để xây dựng một mô hình node cho các cảm biến thông minh, WiroKit được sử dụng như một mô hình con. Trong cách này, môi trường cần thiết cho hoạt động của WiroKit được đáp ứng. Như một bộ định tuyến, WiroKit nhận các gói số liệu từ mô hình cảm biến không dây, xác định nơi kế tiếp chúng phải chuyển đến để tới được node giám sát (Monitor node) và tạo ra các gói vô tuyến mang Đỗ ngọc Anh - D2001VT

- 61 -



theo thông tin định tuyến. Cuối cùng, các gói vô tuyến này được chuyển tới bộ điều giải (modem) vô tuyến để chuyển sang dạng tín hiệu điện từ. Trong mô hình này, modem mô tuyến được bỏ qua vì không cần nghiên cứu chi tiết dạng tín hiệu vô tuyến. Đầu ra từ WiroKit được chuyển thẳng ra mô hình kênh vô tuyến (RF Channnel Model). Ngược lại, WiroKit có thể nhận đầu vào từ mô hình kênh vô tuyến khi các gói vô tuyến được chuyển qua trên đường tới đích, các node trung gian nhận và chuyển chúng theo hướng thích hợp.

Hình 3.3: Phân tích các thành phần trong môi trường mô phỏng

Mô hình này có thể mô phỏng hoạt động của các mạng cảm biến có số node rất lớn, lên đến 10 nghìn node với thời gian khảo sát tương đối dài (có thể đến 1000s). Một ví dụ về kết quả mô phỏng như hình 3.4.


- 62 -



Hình 3.4: Khảo sát thông lượng và độ trễ trung bình trong mạng cảm biến Đỗ ngọc Anh - D2001VT

- 63 -



3.1.2 Mô hình của trường Đại học Los Angeles California Mô hình được xây dựng bởi nhóm nghiên cứu Sung Park, Andreas Savvides, Mani B.Srivastava thuộc phòng thí nghiệm “Networked Emebedded Systems”, khoa Điện tử trường Đại học Los Angeles California. Mô hình này được tham khảo để phát triển phần mềm mô phỏng sử dụng trong đồ án này. MÔ HÌNH CỦA TRƯỜNG ĐẠI HỌC LOS ANGELES CALIFORNIA a/ KỊCH BẢN MÔ PHỎNG

Trong kịch bản mô phỏng, một tập các node mạng không dây trang bị các kiểu cảm biến khác nhau được triển khai trong một vùng xác định (trường cảm biến) để thực hiện các nhiệm vụ cảm biến môi trường. Các kết quả cảm biến được xử lý trong mạng và các báo cáo được chuyển đến các node Gateway hay điểm thu thập dữ liệu thông qua các kết nối không dây. Kết quả này có thể chuyển đến trực tiếp người sử dụng hay đưa qua mạng Internet. Kịch bản này được mô tả trên hình 3.5. Đích

Đích Node cảm biến

Node cảm biến

Node người sử dụng

Internet Node cảm biến

Node cảm biến

Node người sử dụng Gateway

Hình 3.5: Kịch bản mạng cảm biến

Trong môi trường mô phỏng này, một kịch bản mạng cảm biến điển hình bao gồm ba kiểu node : 1) Các node cảm biến, quan sát trực tiếp môi trường; 2) Các node đích (target node) tạo ra các kích thích cảm biến tác động đến các cảm biến bằng các kênh cảm biến thông qua sự biến thiên của các đại lượng vật lý như các chấn động, âm thanh, hồng ngoại, ...Ví dụ, xe cộ đang di chuyển tạo ra các chấn động mặt kích thích các cảm biến địa chấn hay âm thanh kích thích các cảm biến thính giác; 3) Các node người sử dụng (User node) đưa ra kết quả của mạng cảm biến cho người sử dụng.


- 64 -



b/ Xây dựng

Hình 3.6 chỉ ra kiến trúc mô hình ba kiểu node được xây dựng từ các khối cơ sở của môi trường mô phỏng.

Hình 3.6: Kiến trúc mô hình các node: cảm biến, đích, người sử dụng.


- 65 -



Trong mô hình này, mỗi node cảm biến được trang bị một ngăn xếp giao thức mạng không dây và một hay nhiều ngăn xếp cảm biến tương ứng với các kiểu cảm biến khác nhau của node cảm biến. Vai trò của ngăn xếp giao thức cảm biến là phát hiện và xử lý các kích thích cảm biến trên kênh cảm biến và hướng chúng tới lớp ứng dụng, nơi xử lý và cuối cùng là chuyển các kết quả tới một node người sử dụng dưới dạng báo cáo cảm biến. Mỗi ngăn xếp cảm biến làm việc với một loại đối tượng cần cảm biến. Ngăn xếp giao thức mạng không dây đảm nhận việc thông tin giữa node cảm biến với các node cảm biến khác và với các node User hay gateway. Mỗi node còn được trang bị bổ xung một mô hình nguồn tương ứng với các phần cứng sản xuất và tiêu thụ năng lượng. Mô hình này bao gồm một bộ cung cấp năng lượng (acquy), và một tập các thành phần tiêu thụ năng lượng (CPU, Bộ thu phát vô tuyến, các cảm biến) . Mỗi thành phần tiêu thụ năng lượng có thể ở một trong các trạng thái và cách thức hoạt động khác nhau tượng ứng với các kiểu tiêu thụ năng lượng khác nhau. Ví dụ, bộ thu phát vô tuyến có thể ở các trạng thái nghỉ (sleep mode), trạng thái nhận tín hiệu (receive mode) hay một trong các trạng thái phát tương ứng với các tốc độ kí hiệu, các phương thức điều chế và công suất phát khác nhau. Tương tự, CPU cũng có thể ở trong trạng thái nghỉ, một trong nhiều trạng thái tích cực tương ứng với điện áp và tần số khác nhau. Các thuật toán trong mạng và ngăn xếp cảm biến điều khiển sự thay đổi kiểu tiêu thụ năng lượng. Ví dụ, giao thức MAC có thể thay đổi kiểu thu phát vô tuyến từ nghỉ sang nhận tín hiệu. Ngược lại, hoạt động của các thuật toán này lại phụ thuộc vào các kiểu hoạt động này. Ví dụ, thời gian được tính bởi lớp vật lý trong ngăn xếp giao thức phụ thuộc vào tốc độ số liệu của phương thức thu phát vô tuyến hiện tại. Tất cả các cơ chế trên được thực hiện nhờ các thuật toán đưa ra các sự kiện thay đổi kiểu hoạt động của các thực thể tiêu thụ năng lượng và thuật toán đọc các giá trị tham số thích hợp từ các thực thể này. Các node đích (Target node) đại diện cho các đối tượng môi trường là mục tiêu cần cảm biến, quan sát như các chất hóa học (ví dụ CO), các vi sinh vật , .v.v. Các node đích được xây dựng trên thành phần cơ bản là ngăn xếp cảm biến. Ngăn xếp cảm biến đảm nhận việc phát các tín hiệu của node đích như âm thanh, chấn động,... quảng bá trong môi trường thông qua kênh cảm biến. Vì việc phát này mô phỏng sự phát tán tự nhiên của tín hiệu từ các hiện tượng nên các giao thức phát không có cơ chế điều khiển tắc nghẽn và chống tranh chấp. Ngăn xếp cảm biến của mỗi node đích tương ứng với một ngăn xếp cảm biến của node cảm biến. Đỗ ngọc Anh - D2001VT

- 66 -



Các node User là các điểm thu thập số liệu từ mạng cảm biến để tương tác trực tiếp với người sử dụng hoặc chuyển qua mạng Internet. Các node User được xây dựng trên ngăn xếp giao thức mạng không dây. Ngăn xếp giao thức mạng không dây đảm bảo thông tin giữa node User với các node cảm biến.

Hình 3.7: Kiến trúc mô hình mạng cảm biến không dây

Hình 3.7 minh hoạ mô hình mạng cảm biến trong môi trường mô phỏng. Trong mô hình tổ chức mạng, kênh không dây (Wireless Channel) và kênh cảm biến (Sensor Channel) được xây dựng với hai cơ chế truyền thông riêng. Trong kịch bản mô phỏng điển hình, một node đích sẽ di chuyển qua một nhóm node cảm biến được triển khai trong trường cảm biến. Các node đích này phát ra các tín hiệu quảng bá trên kênh cảm biến trong một phạm vi xác định. Các node cảm biến nằm trong phạm vi này, có thể nhận được các tín hiệu cảm biến trên cơ sở hoạt động của ngăn xếp cảm biến tương ứng. Khi node cảm biến nhận thấy các tín hiệu cảm biến được là đáng chú ý, nó sẽ chuyển các gói tin về sự kiện này thông qua kênh không dây đến node User. Bằng cách phân tách kênh cảm biến và kênh không dây, mô hình mạng này giúp cho việc mô phỏng và phân tích hoạt động của mạng cảm biến trở lên dễ dàng hơn khi các sự kiện cảm biến hiện tượng mục tiêu và các sự kiện phát và nhận gói trong truyền thông không dây có thể diễn ra đồng thời. Ngoài ra, với việc cho phép một node cảm biến có thể liên Đỗ ngọc Anh - D2001VT

- 67 -



kết tới nhiều kênh cảm biến, môi trường mô phỏng có khả năng cung cấp các phân tích về hoạt động phức tạp của node cảm biến khi chúng phản ứng lại nhiều tín hiệu cảm biến nhận được đồng thời như chấn động, nhiệt độ, âm thanh,... c/ TỔ CHỨC NODE VÀ TẠO LƯU LƯỢNG

Trong việc nghiên cứu hoạt động của một mạng cảm biến không dây, yếu tố cốt yếu là kịch bản triển khai toàn bộ bao gồm hình trạng mạng, phạm vi vô tuyến, phạm vi cảm biến, quỹ đạo của các mục tiêu cảm biến và các lưu lượng sự kiện kết quả, quỹ đạo của các node User và các lưu lượng truy vấn. Tất cả các yếu tố này góp phần tạo lên các thiết kế với sự thoả hiệp tốt nhất, từ đó có thể đánh giá hiệu quả của các thuật toán hay giao thức mới dưới các kịch bản triển khai khác nhau. Để nghiên cứu các hiệu quả này, cần phải phát triển các công cụ tạo lập và quan sát các kịch bản mô phỏng chi tiết cung cấp khả năng xây dựng hình trạng và lưu lượng mạng. Các công cụ này có thể được phát triển trên nền phần mềm mô phỏng mạng NS (Network Simulator) vì phần mềm này đã có sẵn cơ sở để mô phỏng các mạng IP nói chung (cả mạng có dây và không dây) và có tính mở rất cao. Việc Tổ chức node cảm biến phụ thuộc vào nhiệm vụ của mạng. Ví dụ, để theo dõi các loài thú hoang dã trong một khu rừng, các cảm biến có thể được triển khai đồng đều trong khu rừng. Tuy nhiên, với mạng cảm biến được triển khai cho nhiệm vụ phòng thủ đường biên thì các cảm biến phải được triển khai theo đường được xác định rõ. Trong một số trường hợp khác, các cảm biến có thể được triển khai tuỳ theo yêu cầu của người sử dụng. Trong môi trường mô phỏng, người sử dụng có thể tổ chức node theo các đồ hình khác nhau tuỳ theo yêu cầu nhiệm vụ của mạng. Ngoài việc tổ chức node, các yêu cầu lưu lượng cũng có nhiều loại khác nhau.Lưu lượng mạng cảm biến được phân thành ba kiểu chính: 1) Lưu lượng Người sử dụng đến node cảm biến: được hình thành từ các lệnh và truy vấn từ người sử dụng đến mạng. 2) Lưu lượng node cảm biến đến người sử dụng: gồm các báo cáo từ cảm biến đến người sử dụng. 3) Lưu lượng node cảm biến đến node cảm biến: hình thành do nhu cầu cộng tác xử lý các sự kiện cảm biến trong mạng trước khi thông báo đến người sử dụng. Kiểu lưu lượng cuối cùng là phức tạp nhất và nó phụ thuộc vào phương pháp cảm biến.


- 68 -



d/ NGĂN XẾP CẢM BIẾN VÀ KÊNH CẢM BIẾN

Ngăn xếp cảm biến mô phỏng các hoạt động tạo, phát hiện và xử lý các tín hiệu cảm biến. Trong mô hình node cảm biến nêu trên, ngăn xếp cảm biến là một điểm thu số liệu (sink) có nhiệm vụ kích hoạt lớp ứng dụng mỗi khi phát hiện thấy một sự kiện cảm biến. Một tập các chức năng kích hoạt khác nhau từ các phương pháp cảm biến đơn giản đến các chức năng xử lý tín hiệu tinh vi đều được thực hiện bởi ngăn xếp cảm biến. Trong mô hình node đích, ngăn xếp cảm biến hoạt động như một nguồn tín hiệu. Ngăn xếp cảm biến của một node đích chứa dạng tín hiệu đặc trưng cho kiểu mục tiêu cảm biến. Tín hiệu này được phát trong các môi trường khác nhau (mặt đất, không khí, nước,.v.v.), nơi mà các mục tiêu di chuyển. Hình 3.8 chỉ ra dạng tín hiệu thực tế nhận được từ một cảm biến địa chấn và dạng tín hiệu mô phỏng của các chấn động mặt đất do sự di chuyển của xe cộ.

Hình 3.8: Ví dụ về mô phỏng dạng tín hiệu. a) Tín hiệu địa chấn thực tế, b) Tín hiệu địa chấn mô phỏng


- 69 -



Các môi trường cảm biến trong thực tế được mô hình hoá thành các kênh cảm biến, nơi các sự kiện cảm biến như các tín hiệu địa chấn, âm thanh hoặc hồng ngoại được lưu thông.

3.2 Thiết kế phần mềm mô phỏng mạng cảm biến không dây Trong thiết kế phần mềm (còn được gọi là chuyển đổi mô hình), mô hình mô phỏng được phát triển bằng một ngôn ngữ lập trình nào đó. Trong đồ án này, việc mô phỏng mạng cảm biến được thực hiện trên phần mềm mô phỏng mạng NS-2 đã mở rộng cho môi trường mạng cảm biến. Do đó, phần tiếp theo sẽ trình bày về phần mềm NS-2 và phần mở rộng NRL’Sensorsim trên NS-2 cho mô phỏng mạng cảm biến

3.2.1 Phần mềm NS-2 a/ Giới thiệu NS-2

NS-2 là chương trình mô phỏng mạng theo phương pháp mô phỏng các sự kiện rời rạc. NS-2 hỗ trợ mô phỏng mạng có dây và không dây, TCP, UDP , các giao thức truyền thông điểm-đa điểm và định tuyến khác,.v.v. NS-2 được viết bằng C++ và ngôn ngữ hướng đối tượng Tcl (Otcl: object-oriented tool command language). NS-2 có một lịch sử khá dài, bắt nguồn từ các phần mềm REAL của UCB (1989) và NEST của Colombia (1992). Đến năm 1995, NS-2 được phát triển trong dự án VINT (Virtual InterNet Testbed hay nền kiểm thử Internet ảo). VINT là dự án hợp tác giữa AT&T Reseach, Lawrence Berkeley National Laboratory, ETH TIK, Xerox PARC, UCB-Berkeley và USC/ISI. Hiện nay, Ns đang tiếp tục được phát triển trong các dự án SAMAN và CONSER, cùng với sự hợp tác của nhiều nhà nghiên cứu và ACIRI. Những tổ chức đã đóng góp đáng kể vào NS-2 là UCB Daeledus, UMU Monarch và Sun MicroSystems. So với các phần mềm mô phỏng mạng khác, NS-2 có những ưu thế sau: -

-

NS-2 có mã nguồn mở miễn phí. NS-2 có kiến trúc mở, tạo điều kiện thuận lợi cho việc mở rộng NS-2 được phát triển từ các phần mềm nổi tiếng trên thế giới như REAL, NEST nên nó có những điểm mạnh và đã khắc phục được những yếu điểm của các phần mềm này NS-2 hỗ trợ các tính năng cơ bản của mạng IP, từ đó có thể phát triển thêm các phần tử mạng.


- 70 -


-


NS-2 có cấu trúc module, rất thuận tiện cho việc nghiên cứu tìm hiểu và phát triển.

Nhìn từ phía người sử dụng , NS-2 là chương trình biên dịch mã Otcl được liên kết tới thư viện C++ . Các đối tượng cơ sở như tcp, CBR,..được xây dựng trong C++. Đầu vào NS-2 là tập mã lệnh Otcl , đầu ra là các tập tin mô phỏng tiến trình theo yêu cầu được thể hiện trong tập lệnh Otcl. NS-2 Chương trình biên dịch Otcl

Tập lệnh Otcl (mã nguồn)

Kết quả mô phỏng

Các thư viện C++ Hình 3.9: Cấu trúc chương trình NS-2

Kết quả mô phỏng có thể quan sát bằng hình ảnh mô tả trực quan với ứng dụng Nam (the Network Animator) , bằng đồ thị (sử dụng Xgraph) hoặc có thể được xử lý bằng các tập lệnh tuỳ chọn. Với cấu trúc này, việc sử dụng NS-2 trở lên đơn giản hơn nhiều so với sử dụng trực tiếp C++ nhưng vẫn có được những tính năng của C++. Với những đặc điểm trên, NS-2 thực sự là một công cụ phần mềm hữu ích cho việc học tập, nghiên cứu mạng thông tin, giúp cho việc thực hành mạng trở lên hiệu quả hơn. b/ Cơ chế hoạt động của phần mềm NS-2

Hoạt động của NS-2 được chia thành hai phần là phần dữ liệu (được xây dựng trong C++) và phần điều khiển (được xây dựng trong Otcl). Để giảm thời gian xử lý gói và sự kiện, thời biểu sự kiện và các đối tượng thành phần mạng cơ bản trong phần số liệu được viết và biên dịch bằng C++. Các đối tượng được biên dịch này được tạo sẵn và được liên kết tới Otcl qua bộ thông dịch Otcl. Mỗi đối tượng C++ này được điều khiển và được thiết lập các tham số thông qua một đối tượng điều khiển tương ứng trong Otcl. Các đối tượng C++ không cần điều khiển hoặc chỉ hoạt động nội tại trong phần C++ thì không cần liên kết đến Otcl. Tương tự, cũng có một số đối tượng (không nằm trong phần dữ liệu) có thể hoạt động hoàn toàn chỉ trong Otcl. Các đối tượng điều khiển trong Otcl được ánh xạ Đỗ ngọc Anh - D2001VT

- 71 -



1-1 tới các đối tượng cần điều khiển trong C++. Như vậy, cấu trúc phân cấp các đối tượng này trong hai phần C++ và Otcl là tương tự nhau. Quan hệ giữa C++ và Otcl được minh họa trên hình 3.10.

Hình 3.10: Tính đối ngẫu giữa C++ và Otcl

Hình 3.11 chỉ ra kiến trúc NS-2. Trong kiến trúc này, người sử dụng (không phải người phát triển NS-2) ở vị trí góc dưới bên trái. Dữ liệu đầu vào là tập lệnh Otcl được phân tích bởi lớp Tcl. Việc thiết lập và chạy mô phỏng trong Tcl sử dụng các đối tượng trong thư viện Otcl. Thời biểu các sự kiện và hầu hết các thành phần mạng hoạt động trong C++ và được liên kết tới Otcl. Việc này được thực hiện bởi lớp tclcl. Thời biểu các sự kiện tclcl Otcl

NS-2 Các thành phần mạng

Tcl 8.0 Hình 3.11: Kiến trúc tổng quan của NS-2

Chương trình NS-2 có nhiều phiên bản chạy trên các hệ điều hành khác nhau và với các yêu cầu cài đặt khác nhau. Trong đồ án này, phiên bản ns-allinone2.27, chạy trên Windows trong môi trường Cygwin/X được sử dụng để tìm hiểu một số các tính chất của mạng cảm biến không dây. Cygwin/X cung cấp một giao diện chương trình ứng dụng (API) giống như hệ điều hành UNIX trên khuôn dạng Windows do NS-2 không chạy trực tiếp trên Windows. Đỗ ngọc Anh - D2001VT

- 72 -



Môi trường NS - 2 là công cụ hết sức linh hoạt trong việc nghiên cứu các đặc tính của mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) vì nó có sẵn các mô hình cho mạng Ad hoc không dây, có ràng buộc về năng lượng. Trong NS 2, một mạng cảm biến có thể được xác định với nhiều tổ hợp các đặc tính như thực tế. Môi trường mạng di động trong NS - 2, cung cấp sự hỗ trợ lẫn nhau giữa các giao thức như hình 3.12. Lớp vật lý

Lớp ứng dụng CBR FTP Telnet

Lớp mạng Lớp giao vận TCP UDP

DSDV DSR TORA AODV OLSR

Lớp liên kết số liệu 802.11 TDMA SMAC

Các kiểu phát vô tuyến với suy giảm bậc 4 : trong không gian tự do, mặt đất hai tia, bóng phủ. Antent độ lợi đơn.

Hình 3.12: Các giao thức được hỗ trợ trong NS-2 mô phỏng mạng không dây

Với cơ sở này, ta chỉ cần thêm vào NS-2 một số đối tượng và thuộc tính để mô phỏng mạng cảm biến.

3.2.2 Cơ sở phát triển mô phỏng mạng cảm biến trên nền NS-2 Cơ sở duy nhất còn thiếu trong NS-2 cho mô phỏng mạng cảm biến là việc định nghĩa một "Phenomenon" (hiện tượng). Ví dụ như chất hoá học, âm thanh,... các đối tượng này có thể di chuyển và kích hoạt các cảm biến ở gần qua một kênh như phẩm chất không khí hay rung động mặt đất. Khi một cảm biến phát hiện tín hiệu từ một hiện tượng trong kênh này, cảm biến sẽ phản ứng tuỳ theo ứng dụng được định nghĩa bởi người sử dụng NS-2. Các ứng dụng này sẽ quy định việc cảm biến làm gì khi phát hiện ra hiện tượng mục tiêu. Ví dụ, cảm biến có thể định kỳ gửi thông báo đến một số điểm thu thập số liệu nếu nó còn tiếp tục phát hiện thấy hiện tượng, hoặc có thể làm một số việc phức tạp hơn như công tác với các cảm biến lân cận để có được thông tin cụ thể chi tiết hơn về hiện tượng trước khi cảnh báo người giám sát về một hiện tượng giả định. Mỗi mạng cảm biến có một ứng dụng duy nhất như giám sát động đất, môi trường,… Phần mở rộng NS-2 cung cấp các khả năng trình diễn các ứng dụng Đỗ ngọc Anh - D2001VT

- 73 -



cảm biến. Với các ứng dụng này, chúng ta có thể nghiên cứu hoạt động của cơ sở hạ tầng mạng dưới các điều kiện khác nhau. Cơ sở của việc xây dựng mô hình mạng cảm biến trong NS-2 được minh hoạ trong hình 3.13.

Hình 3.13: Cơ sở xây dựng mô hình mạng cảm biến sử dụng NS-2

Mô hình trình diễn của các hiện tượng trong NS-2 được xác định với các gói quảng bá được chuyển qua một kênh được chỉ định. Phạm vi ảnh hưởng của hiện tượng là tập hợp các node có thể nhận được các gói Phenom quảng bá trên kênh này. Mô hình này sẽ tuân theo quảng bá bất cứ kiểu phát và truyền nào (không gian tự do, mặt đất 2 tia hay bóng phủ, bao gồm cả các cấu hình node hiện tượng. Các kiểu phát này phủ sóng theo dạng gần tròn nhưng các hình dạng khác cũng có thể có được bằng cách thay đổi phạm vi của các gói Phenon và di chuyển một cách thích hợp một tập các node hiện tượng phát cùng kiểu. Việc phát quảng bá các gói Phenom được hoàn thành nhờ "giao thức định tuyến Phenom", quảng bá các gói Phenom với tốc độ xung xác định. Khi một gói Phenom được nhận bởi một node trên kênh Phenomenon (kênh hiện tượng), một thông báo về sự kiện này sẽ được chuyển đến ứng dụng cảm biến của node đó.

3.2.3 Các bổ sung vào NS-2 Giả sử có các node hiện tượng (Phenomenon) kích hoạt các node cảm biến, lưu lượng các node cảm biến tạo ra mỗi khi phát hiện thấy hiện tượng phụ thuộc vào chức năng của mạng. Ví dụ, các mạng thiết kế để để hiệu chỉnh đích bằng hiệu ứng năng lượng sẽ tạo ra nhiều lưu lượng cảm biến đến cảm biến hơn mạng thiết kế để cung cấp cho giám sát viên các dữ liệu chưa qua xử lý. Chức năng này phụ thuộc vào ứng dụng của cảm biến và phụ thuộc vào đặc tính lưu lượng kết hợp với mạng được mô phỏng. Đối tượng và chức năng được định nghĩa trong các file sau: - Phenom/Phenom.cc, h: Chứa giao thức định tuyến Phenom sử dụng cho việc phát tín hiệu từ các hiện tượng. Nó bao gồm các tham số cho tốc độ xung và kiểu hiện tượng (Bụi cabon, động đất mạnh, động đất nhẹ, tiếng ồn hay loại Đỗ ngọc Anh - D2001VT

- 74 -



chung). Các kiểu này được đặt tên để nhận dạng các nguồn hiện tượng trong file trace (đầu ra mô phỏng). Tốc độ xung là tham số duy nhất điều khiển việc phát tín hiệu từ một hiện tượng.

Hình 3.14: Hình ảnh mô tả mạng cảm biến (được lấy từ ứng dụng NAM trong NS-2) với 25 trạm cảm biến được triển khai theo hình lưới trên diện vuông, 20 node Phenomenon (mô tả đám mây khí gas-hiện tượng cần cảm biến) di động và một trạm thu thập số liệu (ở góc trên bên phải). - Sensornets-NRL/Sensoragent.cc, h: định nghĩa các agent cảm biến, các agent là điểm cuối, nơi các gói thuộc lớp mạng được tạo ra và phân tách, xử lý. Các node cảm biến sử dụng một tác nhân cảm biến liên kết đến kênh Phenomenon để tiếp nhận các gói tin Phenom và sử dụng một tác nhân TCP hay UDP để liên kết đến kênh của mạng vô tuyến để tạo các gói tin được gửi đi từ ứng dụng cảm biến. Các tác nhân cảm biến hoạt động như một ống dẫn, qua đó các gói tín Phenom được nhận và xử lý bởi các ứng dụng cảm biến. Các tác nhân cảm biến không thực sự quan tâm đến nội dung của gói Phenom, nó chỉ đơn giản đánh dấu các gói nhận được và chuyển đến ứng dụng cảm biến. Agent này được định nghĩa trong Sensor agent.cc. - Sensornets-NRL/Sensorapp.cc, h : ứng dụng cảm biến được định nghĩa trong file này tận dụng màu node và tạo ra các thông báo cảm biến để chỉ ra node tương ứng phát hiện ra hiện tượng (4 biến môi trường có thể được sử dụng là: SILENT_PHENOMENON, DISABLE_COLORS, MESG_SIZE và TRANSMIT_FREQ). Cụ thể, khi node đang nhận gói Phenom, ứng dụng này thay đổi màu node thành đỏ, kích thoạt một biến toàn cục "alarm" và gửi một Đỗ ngọc Anh - D2001VT

- 75 -



thông báo cảm biến (MESG_SIZE byte) đến node sink (node thu thập số liệu) của kết nối UDP, TCP sau mỗi chu kỳ là TRANSMIT_FREQ giây. Khi một node không nhận được một Phenom packet trong thời gian chờ (SILENT_PHENOMENON giây), thì màu node trở về màu xanh lá cây. Nếu màu node được yêu cầu để biểu thị mức năng lượng thay vì trạng thái cảnh báo cảm biến thì ứng dụng bị tắt với việc đặt DISABLE_COLOR. - Sensornets-NRL/Phenom_packet.h: File này định nghĩa cấu trúc gói Phenom. Có 5 kiểu hiện tượng (CO, HEAVY - GEO, LIGHT - GEO, SOUND, and TEST - PHENOMENON) tương ứng với cacbon monoxide (chất carbon monoxide CO), Heavy Seismic actyvity (động đất mạnh), Light Seismic activy (động đất nhẹ), Audible Sound (âm thanh), sime Phenomenon (kiểu chung). Các kiểu này có thể được sử dụng mô phỏng với nhiều node hiện tượng và có thể dễ dàng nhận ra và phân biệt với các hiện tượng khác mà node cảm biến phát hiện, bằng cách nhìn vào file trace.

3.2.4 Các chỉnh sửa trong NS-2 Hình 3.15 ra sơ đồ cây NS - 2 mở rộng mô phỏng mạng cảm biến với các bổ sung (nhánh bên phải) và hiệu chỉnh (nhánh bên trái). Các chỉnh sửa trong NS-2 được thực hiện trong các file sau : - Trace/cmu-trace.cc, h: Lớp CMUTrace được sử dụng để in các phần quan trọng của một gói vào file trace. Vì phần mở rộng sử dụng kiểu gói mới cho các hiện tượng nên cần phải định dạng gói tương ứng trong file này. - Tcl/lib/ns-lib.tcl: Thành phần này trình bày về cấu hình node được chỉ ra trong tập lệnh NS-2. Phần mở rộng sử dụng kiểu node mới (các node cảm biến và Phenomenon). Vì thế, đã thêm vào một số điểm vào chức năng định cấu hình node (node-configure) để phù hợp với các kiểu này. - Tcl/lib/ns-mobilenode.tcl: Trong NS-2, dung lượng sẵn có cho việc lập mạng không dây đa kênh được sử dụng để phát các loại tín hiệu hiện tượng khác nhau. Bằng việc sử dụng kênh riêng cho các hiện tượng, ta có thể mô phỏng môi trường vật lý riêng cho từng loại hiện tượng như trong thực tế. Như vậy, các node cảm biến cần 2 giao diện: một với kênh 802.11 và một với kênh Phenom. Khả năng đa giao diện ("Multi - homed") được bổ xung trong ns-mobilnode.tcl. - Common/packet-h: Mỗi gói trong NS -2 được liên kết với một kiểu riêng tuỳ thuộc vào giao thức tương ứng như TCP, ARP, AODV, FTP, .v.v..Vì giao thức Đỗ ngọc Anh - D2001VT

- 76 -



phát tín hiệu hiện tượng là mới nên phải định nghĩa kiểu gói tương ứng trong file tiêu đề packet.h. - Mac/Wireless-phy.cc: NS -2 có gồm mô hình năng lượng cho các node không dây được sử dụng để nghiên cứu lợi ích của các kỹ thuật duy trì năng lượng khác nhau. Như việc nghỉ hoạt động hay tận dụng các mật độ mạng tối ưu. Mô hình này gồm các đặc tính chỉ ra các yêu cầu công suất của các gói phát và nhận hay trạng thái rỗi trong thời gian mạng không hoạt động tích cực. Việc cảm biến hiện tượng là một quá trình có thể tiêu thụ năng lượng tại một tốc độ khác, nên đây là vấn đề quan trọng cần xem xét. Trong mac/Wireless-phy.cc cung cấp khả năng chỉ ra công suất tiêu thụ của các node trong khi cảm biến các hiện tượng.

Một số sửa đổi khác được thực hiện ở mac/mac.cc, tcl/lib/ns-namsupp.tcl và queue/priqueue.cc. Một số sửa chữa trong thủ tục định màu node, bổ sung kiểu gói Phenom vào tổ chức NS-2 được thực hiện để đơn giản hoá giao diện đến kênh Phenomenon trên node cảm biến.


- 77 -



NS-2.27/

Hình 3.15: Sơ đồ bổ sung và chỉnh sửa NS-2

3.3 Mô tả mã lập trình mô phỏng 3.3.1 Thiết lập kênh hiện tượng và kênh dữ liệu Các node Phenomenon sẽ phát trên một kênh khác với các node cảm biến để tránh sự tranh chấp tại lớp vật lý. Mọi node Phenomenon cần định cấu hình trên cùng một kênh ngay cả khi chúng phát từ các kiểu hiện tượng khác nhau. Lệnh sau thiết lập kênh vô tuyến và kênh của các hiện tượng (Kênh Phenomenon): set chan 1 [new $val(chan)] set chan 2 [new $val(chan)]


- 78 -



3.3.2 Thiết lập một giao thức MAC cho kênh Phenomenon Chọn một lớp MAC sử dụng cho việc phát Phenomenom qua kênh Phenomenon. Việc sử dụng 802.11 là không thích hợp vì kênh Phenomena là kênh tự nhiên nên nó phát mà không cần điều khiển tắc nghẽn và tranh chấp. Các lệnh sau thiết lập các thủ tục điều khiển truy nhập môi trường vô tuyến và môi trường Phenomenon: set val(mac) Mac/802 11 set val(PHENOMmac) Mac

3.3.3 Thiết lập các node Phenomenon Sử dụng node-config giống như các node di động nhưng chỉ rõ giao thức định tuyến Phenom, các hiện tượng được phát đi theo các phương thức được định nghĩa trong Phenom/Phenom.cc. Ngoài ra phải định hình kênh và lớp MAC trước khi chỉ ra việc quảng bá Phenomenon. Một ví dụ thiết lập cấu hình node Phenomenon mẫu như sau: $ns node-config \ -adhocRouting PHENOM \ -Channel $chan 1 \ -llType LL \ -macType $val(PHENOMmac) \ -ifqType Queue/DropTail/PriQueue \ -ifqLen 50 \ -antType Antenna/OmniAntenna \ -phyType Phy/WirelessPhy \ -topoInstance $topo \ -agentTrace ON \ -routerTrace ON \ -macTrace ON \ -movementTrace ON \ -propType Propagation/TwoRayGround

3.3.4 Thiết lập tốc độ và kiểu xung của Phenomenon Hai tham số sử dụng để thay đổi tuỳ biến Phenomena được chỉ ra a/ Pulserate Float. -

Ploat phải là một số thực Mô tả tần số một node Phenomenon quảng bá tín hiệu của nó.


- 79 -


-


Mặc định là một lần phát trên 1 giây

b/ Phenomenon Pattern

-

Pattern: kiểu hiện tượng, phải là một trong các từ khoá sau: CO, HEAVEGEO, LIGHT-GEO, SOUND, TEST-PHENOMENON tương ứng với oxit carbon CO, động đất nặng, động đất nhẹ, tiếng động và một số kiểu hiện tượng chung khác. - Tuỳ chọn này được sử dụng chủ yếu cho việc mô phỏng các hiện tượng bội node (nhiều node hiện tượng kết hợp) nên dễ dàng phân biệt việc node cảm biến đang cảm biến hiện tượng nào bằng việc nhìn vào trace file. - Mặc định TEST-PHENOMENON Sau đây, minh hoạ việc đặt tham số để phát tín hiệu từ Carbon Oxit 10 lần/s [$node (0) set ragent ] \ pulserate .1 ; [$node (0) set ragent ] \ Phenomenon CO ;

3.3.5 Định hình node cảm biến Nút cảm biến phải được định hình với thuộc tính “Phenom chanell” và thuộc tính “Wireless Channel”. Kênh Phenom Channel phải cùng loại với kênh mà ta ấn định cho Phenomenon. Kênh còn lại được sử dụng để truyền các báo cáo của cảm biến. Cấu hình node cảm biến cần phải chỉ ra một giao thức MAC cho kênh Phenomenon và một giao thức MAC (như MAC/802-11) cho kênh chia sẻ với các node không dây khác. Điều này được thực hiện với các thuộc tính Phenom mactype và mactype. Phenom mactype phải cùng kiểu với MAC của các node Phenom và Mactype phải cùng kiểu với MAC của các node khác cùng tham gia mạng IP. Các lệnh sau minh họa ví dụ định hình cho một node cảm biến : $ns node-config \ -adhocRouting $val(rp) \ -Channel $chan 2 \ -macType $val(mac) \ -PHENOMChannel $chan 1 \ -PHENOMmacType $val(PHENOMmac)


- 80 -



3.3.6 Thiết lập các node non-sensor (điểm thu thập dữ liệu, Gateway) Các node không phải cảm biến hay Phenomenon node không được định hình với một kênh Phenom Channel vì chúng chỉ có giao diện duy nhất đến mạng MANET (Mobile Ad hoc Network - mạng di động sử dụng giao thức định tuyến Ad hoc) được thực hiện với thuộc tính - Phenom Channel "off". Ví dụ: $ns node-config \ -adhocRouting $val(rp) \ -Channel $chan 2 \ -PHENOMChannel "off"

3.3.7 Gắn kết các tác nhân cảm biến Lệnh này tạo ra một tác nhân cảm biến cho mỗi node cảm biến và gắn kết tác nhân này với node tương ứng. Ngoài ra, phải chỉ ra rằng tất cả các gói tin đến từ kênh Phenome đều được nhận bởi Sensor Agent.Ví dụ: set Sensor ($i) [new \ Agent/SensorAgent] $ns attach-agent $node ($i) \ $Sensor ($i) [$node ($i) set ll (1)] \ up-target $Sensor ($i)

3.3.8 Gắn kết một tác nhân UDP và ứng dụng cảm biến cho mỗi node Việc các node cảm biến phản ứng thế nào khi chúng phát hiện ra hiện tượng mục tiêu được định nghĩa trong ứng dụng cảm biến. Ví dụ như chúng sẽ thông báo thông tin về hiện tượng tới điểm thu thập dữ liệu qua UDP. Thí dụ sau minh hoạ việc thiết lập ứng dụng cảm biến: set src ($i) [new Agent/UDP] $ns attach-agent $node ($i) \ $src ($i) $ns connect $src ($i) $sink set app ($i) [new \ Application/SensorApp] $app ($i) attach-agent $src ($i)

3.3.9 Khởi động ứng dụng cảm biến Nút cảm biến có thể nhận các gói Phenom ngay khi Sensor Agent được gắn tới node. Nhưng node chỉ có phản ứng khi ứng dụng cảm biến được gắn kết và khởi động. $ns at 5.0 "$app ($i) start \ $Sensor ($i)"


- 81 -


Chương 4. Đánh giá chất lượng dịch vụ QoS của

CHƯƠNG 4 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ QoS CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

4.1 Mô tả kịch bản mô phỏng Mục đích của phần mô phỏng này là đánh giá chất lượng QoS của một mạng cảm biến thông qua việc khảo sát một số tham số QoS của mạng cảm biến không dây theo mật độ. Tức là, khảo sát một số tham số QoS theo số lượng node cảm biến thay đổi trong một vùng khảo sát cố định. - Khảo sát tỷ lệ mất gói tại lớp giao vận. - Tính toán độ trễ gói tin từ node nguồn cảm biến đến điểm thu Sink. - Tính toán tốc độ gói trung bình đến điểm thu Sink. Mô phỏng này được thực hiện với các mạng cảm biến được triển khai theo hình lưới vuông, trong bản đồ hình vuông 1000× 1000 m: - Số lượng node nguồn hiện tượng là 1. - Mẫu chuyển động hiện tượng: Ngẫu nhiên. - Dải truyền dẫn và dải hiện tượng là Tx= 218.9 m. - Công suất phát của các node cảm biến và node hiện tượng là Pt=0.22960590141841 W ( P t = (1.0e-10) * (T x )**4) ;. - Kiểu hiện tượng mục tiêu được chọn là khí Carbon Monoxit (CO) được biểu diễn bằng một nút hiện tượng Phenomenon đơn di chuyển một cách ngẫu nhiên trong trường cảm biến. - Số lượng điểm thu thập số liệu (Sink) là 1, được đặt trên biên của trường cảm biến (góc trái trên cùng của mô hình mô phỏng). - Các mạng cảm biến này sử dụng giao thức định tuyến AODV, kiểu hàng đợi Droptail (Kiểu FIFO: vào trước ra trước), kiểu phát vô tuyến mặt hai tia mặt đất (Two Ray Ground), antent có độ lợi đơn. - Thời gian mô phỏng là 20 giây.

4.2 Thực hiện mô phỏng 4.2.1 Viết mã và chạy mô phỏng Các tuỳ chọn về môi trường mạng được khai báo như sau: set val(prop) Propagation/TwoRayGround; # Kiểu phát vô tuyến set val(netif) Phy/WirelessPhy

;# Kiểu giao tiếp mạng

set val(mac)

;# Kiểu MAC

Mac/802_11

;# Kiểu hiện tượng MAC

set val(PHENOMmac) Mac set val(ifq)

Queue/DropTail/PriQueue


- 82 -

;# Kiểu hàng đợi



set val(ll)

LL

;#Kiểu lớp liên kết số liệu

set val(ant)

Antenna/OmniAntenna

;#K iểu antent ;# Số gói max trong hàng đợi

set val(ifqlen) 50 set val(nn)

", $totalnodes-1,"

set val(rp)

AODV

;#T ổng số node cảm biến, ;# Giao thức định tuyến

set val(x)

1000

;# Chiều dài bản đồ (m)

set val(y)

1000

;# Chiều rộng bản đồ (m)

Trong phần chương trình chính (Main Program) sẽ định nghĩa tên File số liệu đầu ra (Trace, NAM) và thực hiện các thiết lập kênh, nút, giao thức, tác nhân, ứng dụng, mô hình Phenomenon như mô tả ở phần 3.3. Các công việc cần thiết khác cần thực hiện trong chương trình chính là thiết lập tọa độ cho các nút và các khai báo thời gian mô phỏng các sự kiện xảy ra trong thời gian mô phỏng. Ví dụ: a) Các lệnh sau thiết lập tọa độ (m) cho các nút node_1 là (x,y) = (1,1) và node_2 là (x,y) = (101,1): $node_(1) $node_(1) $node_(2) $node_(2)

set set set set

X_ Y_ X_ Y_

1 1 101 1

b) Lệnh sau khai báo một sự kiện tại thời điểm 0,01 giây, nút node_0 (Phenomenon) di chuyển đến tọa độ (x,y) = (470.316697379992, 107.25415624008) với tốc độ 200,0 (đơn vị tốc độ được định nghĩa trong NS-2): $ns_ at 0.01 "$node_(0) 107.25415624008 200.0"

setdest

470.316697379992

c) Tính toán khoảng các giữa các node: $cols = floor(sqrt($totalnodes)); $rows = ceil($totalnodes / $cols); $colinterval = floor($width / ($cols-1)) - 1; # Khoảng cách giữa hai

node trên cột. $rowinterval = floor($height / ($rows-1)) - 1; # Khoảng cách giữa

hai node trên dòng.

Ngoài ra, còn có các định nghĩa màu nút, các thông báo ra màn hình công tác, v.v. Sau khi đã có tập mã đầu vào lưu trong file wsnet.tcl , có thể bắt đầu chạy mô phỏng bằng lệnh: ns wsnet.tcl trong cửa sổ công tác. Chương trình có thể chạy Đỗ ngọc Anh - D2001VT

- 83 -



trong vài phút đến nhiều giờ tuỳ theo số nút mạng. Sau khi chạy xong, ta có thể quan sát hình ảnh triển khai mạng bằng ứng dụng NAM trong NS-2. Hình 4.1 là cửa sổ quan sát mô phỏng bằng ứng dụng NAM với số nút Sensor được triển khai là 100 trong phạm vi 1000 × 1000m, 1 node hiện tượng, thời gian mô phỏng 20s với giao thức định tuyến AODV.

Hình 4.1: Quan sát mô phỏng bằng ứng dụng NAM

4.2.2 Tính toán kết quả Sau khi chạy xong mô phỏng trong NS-2, việc tiếp theo là phân tích file Trace. Mô phỏng này sử dụng loại Trace với định dạng 7 trường đầu tiên như sau:

[sự kiện] [thời gian] [số thứ tự nút] [mức Trace] ---- [số thứ tự gói] [kiểu gói] [kích thước gói]. Trong đó, các sự kiện trong trường sự kiện gồm r (nhận gói), s (gửi gói), D (mất gói), f (chuyển tiếp gói); trường thời gian chỉ ra thời điểm xảy ra sự kiện; trường mức Trace chỉ ra sự kiện này thuộc phạm vi (mức độ) mô phỏng nào (tác nhân (như udp), lớp liên kết số liệu (MAC) hay mức vật lý, ....).


- 84 -



Với yêu cầu tính toán trong trường hợp này, ta chỉ cần quan tâm tới 7 trường đầu tiên này, các trường sau có định dạng tuỳ theo mức Trace và kiểu gói. Ví dụ với mức Trace MAC và kiểu gói PHENOM (tín hiệu hiện tượng) thì các trường tiếp theo là [thời gian chuyển] [địa chỉ MAC] [Kiểu hiện tượng]. Ví dụ về một đoạn file Trace của mạng 40 node cảm biến như sau: s 3.340224734 _21_ MAC --r 3.340577284 _27_ MAC --s 3.340587284 _27_ MAC --r 3.340891834 _21_ MAC --s 3.340901834 _21_ MAC --------- [9:1 41:0 26 27] r 3.342278384 _27_ MAC --------- [9:1 41:0 26 27] s 3.342288384 _27_ MAC --r 3.342303384 _27_ RTR --------- [9:1 41:0 26 27] f 3.342303384 _27_ RTR --------- [9:1 41:0 25 33]

0 RTS 44 [7de 1b 15 0] 0 RTS 44 [7de 1b 15 0] 0 CTS 38 [6a4 15 0 0] 0 CTS 38 [6a4 15 0 0] 24 udp 172 [13a 1b 15 800] 24 udp 120 [13a 1b 15 800] 0 ACK 38 [0 15 0 0] 24 udp 120 [13a 1b 15 800] 24 udp 120 [13a 1b 15 800]

Công việc phân tích file Trace được thực hiện qua hai bước: - Tách file Trace: Mục đích của việc tách file Trace là lấy ra các loại gói và trường cần thiết cho việc tính toán kết quả. - Tính toán kết quả: thực hiện tính toán kết quả trên các phần đã tách ra ở bước trên.

4.2.3 Tính tỷ lệ mất gói udp tại lớp giao - Công thức tính tỷ lệ mất gói udp: Tỷ lệ mất gói udp = 1 – (Số gói udp nhận/số gói udp gửi) - Tách số liệu nhận và gửi tại điểm thu Sink: Sử dụng lệnh sau trong cygwin/X để tách lấy các sự kiện nhận gói udp của điểm thu Sink (trong file Trace wsnet.tr) để tính số gói udp nhận được. $ cat wsnet.tr | grep "AGT" | grep "udp" | grep ^r | awk ' { printf ("%c\t%f\t%s\t%s\t%d\t%s\t%d\n", $1,$2,$3,$4,$6,$7,$8)} ' > nhanudp.txt $ cat wsnet.tr | grep "AGT" | grep "udp" | grep ^s | awk ' { printf("%c\t%f\t%s\t%s\t%d\t%s\t%d\n", $1,$2,$3,$4,$6,$7,$8)} ' > guiudp.txt


- 85 -



Số lượng node cảm biến

Số gói udp gửi từ các node cảm biến

Số gói nhận bởi điểm thu Sink

Tỷ lệ mất gói udp

40

184

184

0

60

289

288

0.003460

80

441

441

0

100

572

567

0.008741

120

626

621

0.007987

140

754

742

0.015915

160

915

869

0.050273

180

967

904

0.065150

200

1139

503

0.558385

220

1174

646

0.449744

240

1403

384

0.726301

260

1555

114

0.926688

280

1620

26

0.983951

300

1805

73

0.959557

320

1845

4

0.997832

340

2041

14

0.993141

360

2214

47

0.978771

380

2043

139

0.931963

400

2486

11

0.995575

Bảng 4.1: Tỷ lệ mất gói udp theo số lượng node cảm biến 1.0 0.9

Tỷ lệ mất gói

0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 T

0.3 0.2 0.1 0.0 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 Số lượng node cảm biến

Hình 4.2: Đồ thị tỷ lệ mất gói tại lớp giao vận.


- 86 -



4.2.4 Tính độ trễ gói (s) - Công thức độ trễ gói udp: Độ trễ gói = Thời điểm nhận – Thời điểm gửi. Số lượng node cảm biến

Độ trễ cực đại

Độ trễ cực tiểu

Độ trễ trung bình

40

2.118961

0.004831

0.063042

60

2.267924

0.002173

0.067624

80

1.176684

0.002174

0.052597

100

2.257699

0.004896

0.074790

120

1.489998

0.002154

0.044339

140

4.539861

0.007049

0.281901

160

7.988922

0.002154

0.755690

180

10.018941

0.002154

1.127731

200

16.319756

0.002889

3.948794

220

18.401416

0.003889

4.308794

240

18.377152

0.006547

4.930560

260

18.137422

0.039260

7.096495

280

7.069353

0.008996

1.158788

300

18.396197

0.008495

5.775821

320

6.056735

0.284054

3.999372

340

12.326229

0.021033

6.567604

360

17.322686

0.539750

8.373938

380

16.414597

0.009300

7.007174

400

10.592491

0.102936

2.758421

Bảng 4.2: Độ trễ gói cực đại, cực tiểu và trung bình 20 Độ trễ cực đại Độ trễ cực tiểu Độ trễ trung bình

18 16 14 12 10 8 Đ

6 4 2 0 40 60

80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 Số lượng node cảm biến

Hình 4.3: Đồ thị độ trễ gói udp cực đại, cực tiểu và trung bình Đỗ ngọc Anh - D2001VT

- 87 -



9.0 8.0

Độ trễ trung bình

7.0 6.0 5.0 4.0 Đ

3.0 2.0 1.0 0.0 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 Số lượng node cảm biến

Hình 4.4: Đồ thị độ trễ gói udp trung bình theo số lượng node cảm biến 4.2.5 Tính tốc độ gói udp trung bình (kbps)

- Sử dụng lệnh sau trong cygwin/X để tính tốc độ số liệu tức thời và ghi vào file datarate.txt. $ cat nhanudp.txt | awk ' { dif= $2 - old2; if(dif>0) printf("%f\t%f\n",$2,0.960/dif);old2=$2; }' > datarate.txt


- 88 -




Tốc độ thu số liệu cực đại

Tốc độ thu số liệu cực tiểu

Tốc độ thu số liệu trung bình

40

345.448003

1.244946

26.608275

60

396.858206

1.276056

47.110937

80

378.250591

0.950297

54.519053

100

393.603936

1.092742

60.582764

120

393.926959

1.377011

89.892454

140

397.186595

0.743840

89.086452

160

397.186595

0.406493

137.254866

180

397.022333

0.352261

127.033017

200

397.022333

0.564392

111.799155

220

397.022333

0.237893

130.268487

240

397.186595

0.475326

155.153009

260

397.022333

0.156104

119.839600

280

225.457961

0.069972

20.238568

300

390.720391

0.257825

45.452702

320

6.973855

0.068026

2.059487

340

34.531132

0.129143

4.443977

360

397.186595

0.150505

113.371593

380

397.186595

0.361451

114.313422

400

58.443930

0.101691

14.407393

Bảng 4.3: Tốc độ cực đại, tốc độ cực tiểu và tốc độ trung bình 440 400 360 320 280 240

Tốc độ thu số liệu cực đại Tốc độ thu số liệu cực tiểu Tốc độ thu số liệu trung bình

200 160 Tố

120 80 40 0 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 Số lượng node cảm biến

Hình 4.5: Đồ thị tốc độ số liệu được nhận bởi điểm thu Sink


- 89 -



160

Tốc độ thu số liệu trung bình 140 120 100 80 60 40 Tố

20 0 40

60

80

100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400


Hình 4.6: Đồ thị tốc độ số liệu trung bình được nhận bởi điểm thu Sink

4.3 Đánh giá kết quả đạt được sau mô phỏng Qua các đồ thị được xây dựng từ mô phỏng trên, ta thấy các tham số của tập tham số chất lượng dịch vụ QoS của mạng cảm biến không dây có độ biến động tương đối lớn khi mật độ tăng (số lượng node tăng). Khi tăng dần số node mạng đến một số lượng nhất định thì độ trễ, tốc độ thu số liệu và tỷ lệ mất gói có xu hướng tăng, nhưng tốc độ thu số liệu cực đại lại rất ổn định. Như vậy, ta có thể nhận thấy có 7 khoảng chính khi tăng số node cảm biến trong mạng (hay chính là tăng mật độ node cảm biến): 1- Khoảng thứ nhất : Khoảng từ 40 đến 120 node (tương đương với 40 – 120 node/km2), độ trễ và tỷ lệ mất gói, tốc độ thu số liệu nhỏ, ổn định nên thông tin cảm biến về hiện tượng ít. 2- Khoảng thứ hai : khoảng từ 120 đến 200 node (120 – 200 node/km2), tốc độ số liệu trung bình, độ trễ và tỷ lệ mất gói nhìn chung là tăng rất nhanh, độ dốc của đồ thị thể hiện độ trễ và tỷ lệ mất gói có giá trị lớn đặc biệt từ 180 - 200 node/km 2 tuy rằng ở khoảng này tốc độ trung bình có xu hướng giảm. 3- Khoảng thứ ba: khoảng từ 200 đến 240 node (200 – 240 node/km2), độ trễ tăng chậm, tốc độ thu số liệu tăng nhanh và đạt giá trị cực đại khoảng Đỗ ngọc Anh - D2001VT

- 90 -



155kbps, tỷ lệ mất gói vẫn tiếp tục tăng tuy rằng có xu hướng giảm tại 220 node/km2. 4- Khoảng thứ tư : khoảng 240 đến 280 node (240 – 280 node/km2), độ trễ và tốc độ thu số liệu giảm nhanh chóng, tỷ lệ mất gói vẫn tiếp tục tăng. 5- Khoảng thứ năm: Khoảng 280 đến 340 node (280 – 340 node/km 2), tỷ lệ mất gói lại ổn định ở mức cao, độ trễ tăng lên mặc dù có chiều hướng giảm xuống ở khoảng 320 node/km2, tốc độ thu số liệu tăng sau đó giảm nhanh xuống mức thấp nhất khoảng 2- 4.5 kbps. 6- Khoảng thứ sáu: Từ 340 đến 360 node (340 – 360 node/km 2), tỷ lệ mất gói lại ổn định ở mức cao, độ và tốc độ thu số liệu tăng, đặc biệt độ trễ đạt cực đại khoảng 8.4s. 7- Khoảng thứ bảy: Từ 360 đến 400 node (360 – 400 node/km 2), tỷ lệ mất gói vẫn ổn định ở mức cao, tốc độ thu số liệu và độ trễ có xu hướng giảm xuống.

Như vậy, với một diện tích là 1km 2, khi triển khai các node cảm biến để đánh giá một số tham số chất lượng dịch vụ QoS theo mật độ, ta thấy với mật độ khoảng từ 40 đến 120node/km2 thì thông tin có độ chính xác là cao nhất. Để đánh giá chính xác số liệu ta phải thực hiện mô phỏng nhiều hơn với các tham số đầu vào (như công suất truyền phát, dải cảm biến, v.v…), vào phải dựa vào nhiều mô hình mô phỏng, các kinh nghiệm thực tế khác.


- 91 -


Kết luận

KẾT LUẬN Công nghệ mạng cảm biến không dây hứa hẹn tạo ra những ứng dụng đầy tiềm năng, có thể áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, mà đối với các công nghệ khác còn nhiều hạn chế. Tuy nhiên để triển khai mạng người thiết kế hệ thống yêu cầu phải nắm bắt được những nhân tố tác động đến mạng, những nhược điểm của mạng cần phải được khắc phục. Tức là, người thiết kế cần phải quan tâm đến các tham số mạng, ví dụ như tập các chất lượng dịch vụ QoS. Nhờ quá trình mô phỏng người thiết kế hệ thống có thể đánh giá được chất lượng dịch vụ mạng cung cấp, để từ đó có thể thiết kế hệ thống theo cách tối ưu nhất. Trên đây, em đã hoàn thành nội dung đồ án tốt nghiệp, tuy chưa thực sự hoàn thiện song đạt được những kết quả theo đề cương đã đề ra, được tóm tắt lại như sau: - Giới thiệu tổng quan về mạng cảm biến không dây với những hiểu biết về nền tảng của công nghệ mạng cảm biến không dây, các nhân tố ảnh hưởng đến mạng không dây, đặc điểm và kiến trúc tổng quan mạng cảm biến không dây (chương 1). - Tìm hiểu các ứng dụng của công nghệ cảm biến không dây bằng việc tìm hiểu về các hỗ trợ truyền thông cho mạng cảm biến không dây, các lĩnh vực đã áp dụng công nghệ cảm biến không dây và tìm hiểu chi tiết một ứng dụng (giám sát môi trường sống) đã được triển khai dựa trên công nghệ cảm biến không dây (chương 2). - Thực hiện mô hình hoá và tìm hiểu thiết kế phần mềm mô phỏng mạng cảm biến không dây dựa trên phần mềm mô phỏng mạng NS-2, viết các mô tả mã lập trình cho việc mô phỏng mạng cảm biến không dây (chương 3). - Thực hiện mô phỏng mạng cảm biến không dây, và đánh giá phân tích một số tham số trong tập các tham số QoS của mạng cảm biến không dây nhờ kết quả đã mô phỏng (chương 4). Nội dung đồ án mới chỉ tập trung tìm hiểu một ứng dụng về giám sát môi trường sống nên chưa thể hiện hết được sức mạnh của công nghệ mạng cảm biến không dây, và chưa đánh giá hết được các tham số của mạng, cho việc thiết kế hệ thống. Bản thân em cần phải cố gắng hơn nữa, và sự động viên đóng góp của các thầy cô, các bạn để nội dung đồ án tốt nghiệp hoàn thiện hơn. Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn.

DO an TOT NGHIEP DAI HOC Mang Cam Bien Khong Day

Recommend Documents