Đề án tốt nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật: Thuật toán định tuyến dựa trên logic mờ tích hợp máy học nhằm cải tiến thời gian sống của mạng cảm biến không dây

Chia sẻ: Cảnh Phương Thanh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:75

Thêm vào BST

Báo xấu

19
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề án "Thuật toán định tuyến dựa trên logic mờ tích hợp máy học nhằm cải tiến thời gian sống của mạng cảm biến không dây" nhằm nghiên cứu các thuật toán cải thiện thời gian sống của các nút mạng trên WSN như: các thuật toán như giao thức phân cụm LEACH, LEACH-C, LEACH-CD, logic mờ. Nghiên cứu cách thực hiện tối ưu trong việc chọn cụm để kéo dài thời gian sống trong WSN; đề xuất thuật toán định tuyến hợp lý với logic mờ tích hợp máy học để tiết kiệm tối đa năng lượng tiêu thụ của các nút nhằm kéo dài thời gian sống của WSN;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đề án tốt nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật: Thuật toán định tuyến dựa trên logic mờ tích hợp máy học nhằm cải tiến thời gian sống của mạng cảm biến không dây

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG ----------------------------------- Phan Tuấn Hải THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN DỰA TRÊN LOGIC MỜ TÍCH HỢP MÁY HỌC NHẰM CẢI TIẾN THỜI GIAN SỐNG CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ĐỀ ÁN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) TP. HỒ CHÍ MINH – NĂM 2023
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG -------------------------------------- Phan Tuấn Hải THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN DỰA TRÊN LOGIC MỜ TÍCH HỢP MÁY HỌC NHẰM CẢI TIẾN THỜI GIAN SỐNG CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Chuyên ngành: Hệ thống thông tin Mã số: 8.48.01.04 ĐỀ ÁN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. TRẦN CÔNG HÙNG TP. HỒ CHÍ MINH – NĂM 2023 TP.HỒ CHÍ MINH – NĂM 2023
i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan rằng đề án tốt nghiệp thạc sĩ: “Thuật toán định tuyến dựa trên logic mờ tích hợp máy học nhằm cải tiến thời gian sống của mạng cảm biến không dây” là công trình nghiên cứu của chính tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong đề án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Không có sản phẩm/nghiên cứu nào của người khác được sử dụng trong đề án này mà không được trích dẫn theo đúng quy định. TP. Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 08 năm 2023 Học viên thực hiện đề án Phan Tuấn Hải
ii LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu thực hiện đề án tốt nghiệp thạc sĩ, ngoài nỗ lực của bản thân, tôi đã nhận được sự hướng dẫn nhiệt tình quý báu của quý Thầy Cô, cùng với sự động viên và ủng hộ của gia đình, bạn bè và đồng nghiệp. Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới: Thầy PGS.TS. Trần Công Hùng, người thầy kính yêu đã hết lòng giúp đỡ, hướng dẫn, động viên, tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành đề án tốt nghiệp thạc sĩ. Ban Giám Đốc, Phòng đào tạo sau đại học và quý Thầy Cô đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành đề án. Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp trong cơ quan đã động viên, hỗ trợ tôi trong lúc khó khăn để tôi có thể học tập và hoàn thành đề án. Mặc dù đã có nhiều cố gắng, nỗ lực, nhưng do thời gian và kinh nghiệm nghiên cứu khoa học còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót. Tôi rất mong nhận được sự góp ý của quý Thầy Cô cùng bạn bè đồng nghiệp để kiến thức của tôi ngày một hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn! TP. Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 08 năm 2023 Học viên thực hiện đề án Phan Tuấn Hải
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................i LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii MỤC LỤC ................................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT ............................................v DANH SÁCH BẢNG ...............................................................................................vi DANH SÁCH HÌNH VẼ ........................................................................................ vii MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài.......................................................................................1 2. Tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài ..........................................................4 3. Mục tiêu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn .............................................................5 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .......................................................................5 4.1. Đối tượng nghiên cứu ........................................................................5 4.2. Phạm vi nghiên cứu ...........................................................................6 5. Phương pháp nghiên cứu .....................................................................................6 5.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết ....................................................6 5.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm ..............................................6 6. Bố cục đề án ........................................................................................................6 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI ......................................................................7 1.1. Giới thiệu chung ...............................................................................................7 1.1.1. Mạng cảm biến không dây (WSN) .................................................7 1.1.2. Đặc điểm và tính chất của WSN .....................................................9 1.1.3. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây ....................................10 1.2. Fuzzy logic và ứng dụng trong mạng cảm biến không dây ...........................15 1.3. Học máy và ứng dụng trong mạng cảm biến không dây ................................17 1.4. Một số thuật toán định tuyến phổ biến trong WSN........................................19 1.4.1. Thuật toán LEACH .......................................................................19 1.4.2. Thuật toán LEACH mở rộng ........................................................21
iv 1.4.3. Các thuật toán khác.......................................................................21 1.5. Mô phỏng WSN ..............................................................................................24 1.5.1. Matlab ...........................................................................................24 1.5.2. Python ...........................................................................................25 CHƯƠNG 2: CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ................................................26 2.1. Các công trình liên quan thuật toán LEACH .................................................26 2.1.1. LEACH .........................................................................................26 2.1.2. LEACH-C .....................................................................................30 2.2. Các công trình liên quan đến Fuzzy Logic .....................................................31 2.3. Các công trình liên quan đến học máy ...........................................................35 CHƯƠNG 3: THUẬT TOÁN ĐỀ XUẤT .............................................................39 3.1. Mô hình nghiên cứu........................................................................................39 3.2. Thuật toán đề xuất ..........................................................................................40 3.3. Tiêu chí đánh giá ............................................................................................49 CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ .................................................51 4.1. Môi trường thực nghiệm.................................................................................51 4.2. Kết quả thí nghiệm mô phỏng ........................................................................52 4.3. Nhận xét và thảo luận .....................................................................................57 KẾT LUẬN ..............................................................................................................59 1. Kết quả nghiên cứu của đề tài ...........................................................................59 2. Hạn chế đề tài ....................................................................................................59 3. Vấn đề kiến nghị và hướng đi tiếp theo của đề tài ............................................59 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................61
v DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT VIẾT TẮT TIẾNG ANH TIẾNG VIỆT BS Base Station Trạm gốc hay còn gọi là sink CH Cluster Head Trưởng cụm LEACH Low-Energy Adaptive Phân cụm thích ứng năng Clustering Hierarchy lượng thấp Cluster Head Election CHEF Cơ chế lựa chọn trưởng cụm sử mechanism using Fuzzy dụng logic mờ logic Analog-To-Digital Bộ chuyển đổi tương tự sang ADC Converte số TDMA Time Division Multiple Đa truy nhập phân chia theo Access thời gian SP Set up phase Pha thiết lập SSP Steady state phase Pha ổn định ADV Advertisement Bản tin quảng cáo FL Fuzzy Logic Suy luận mờ FIS Fuzzy Inference System Hệ thống suy luận mờ
vi DANH SÁCH BẢNG Bảng 2.1: Chín quy tắc mờ if-then của thuật toán CHEF Fuzzy ..............................34 Bảng 3.1: Tập mờ đề xuất .........................................................................................42 Bảng 4.1: Bảng tham số mô phỏng ...........................................................................51 Bảng 4.2: Bảng so sánh tuổi thọ mạng giữa LEACH, LEACH-C, LEACH-CD và thuật toán đề xuất LEACH-FK .................................................................................56
vii DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1: Một mạng cảm biến không dây điển hình [1] ................................................1 Hình 2: Ứng dụng trong công nghiệp .........................................................................1 Hình 3: Ứng dụng trong nông nghiệp đo nhiệt độ, độ ẩm ..........................................2 Hình 4: Ứng dụng trong quân sự.................................................................................2 Hình 5: Ứng dụng trong y tế .......................................................................................2 Hình 6: Ứng dụng trong giao thông ............................................................................3 Hình 7: Ứng dụng trong gia đình ................................................................................3 Hình 1.1: Một mạng cảm biến không dây điển hình [5] .............................................8 Hình 1.2: Cấu trúc cơ bản một nút trong mạng cảm biến [6] .....................................9 Hình 1.3: Cảm biến môi trường ................................................................................11 Hình 1.4: Ứng dụng trong chăn nuôi và trồng trọt....................................................12 Hình 1.5: Ứng dụng trong công nghiệp ....................................................................13 Hình 1.6: Ứng dụng trong giao thông .......................................................................13 Hình 1.7: Ứng dụng trong thiết bị tự động gia đình .................................................14 Hình 1.8: Ứng dụng trong quân sự............................................................................14 Hình 1.9: Ứng dụng trong y tế ..................................................................................15 Hình 1.10: Ví dụ về Logic mờ trong hiệu điện thế ...................................................16 Hình 1.11: Các thuật toán học máy [16] ...................................................................17 Hình 1.12: Kiến trúc IoT kết nối cho mẫu nông trại thông minh [16]. .....................18 Hình 1.13: Mô hình giao thức LEACH .....................................................................19 Hình 1.14: Hoạt động giao thức LEACH..................................................................20 Hình 1.15: Mô hình WSN cài đặt trong MatLab ......................................................25 Hình 2.1: Hoạt động giao thức LEACH....................................................................26 Hình 2.2: Cấu trúc của hệ thống suy luận mờ (FIS) .................................................32 Hình 2.3: Các WSN sử dụng ML [35] ......................................................................36 Hình 2.4: Ứng dụng ML giải quyết các vấn đề của WSN [35] ................................38 Hình 4.1: Mạng khởi tạo ban đầu bởi fuzzy logic ....................................................52
viii Hình 4.2: k-Means thay đổi các cụm và trọng tâm của cụm .....................................53 Hình 4.3: Kết quả chạy thuật toán đề xuất LEACH-FK ...........................................53 Hình 4.4: Kết quả chạy thuật toán LEACH ..............................................................54 Hình 4.5: Kết quả chạy thuật toán LEACH-C ..........................................................55 Hình 4.6: Kết quả chạy thuật toán LEACH-CD .......................................................55 Hình 4.7: So sánh 4 thuật toán ..................................................................................56
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Như chúng ta đã biết, con người đã ứng dụng công nghệ mạng cảm biến không dây (WSN - Wireless Sensor Network) [1] trong nhiều lĩnh vực quan trọng và tiện dụng như trong công nghiệp và kinh tế - xã hội. Mỗi nút cảm biến trong mạng có khả năng thu thập dữ liệu từ môi trường xung quanh, xử lý dữ liệu đó và truyền tải thông tin thu được qua mạng. Nhờ vào sự linh hoạt, khả năng tự cấu hình và khả năng phục hồi sau khi bị lỗi, WSN đã tạo ra nhiều giải pháp mới trong việc giám sát và kiểm soát môi trường, quản lý năng lượng, và hỗ trợ các quyết định thông minh. WSN được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như môi trường, y tế, công nghiệp, quân sự,… Hình 1: Một mạng cảm biến không dây điển hình [1] Một số ứng dụng của WSN: Trong công nghiệp: nhận biết độ ẩm, nhiệt độ, mức độ, mật độ trong nhà máy lớn [2], điều khiển các thiết bị tự động, robot, phát hiện các vật liệu độc hại hoặc nguy hiểm của hóa chất,… Hình 2: Ứng dụng trong công nghiệp
2 Môi trường, nông nghiệp: dựa vào độ ẩm, nhiệt độ để phát hiện cháy rừng, tưới tiêu, giám sát lũ lụt, gió, mưa, bão, phát hiện ô nhiễm, độ PH,… Hình 3: Ứng dụng trong nông nghiệp đo nhiệt độ, độ ẩm Quân sự: phát hiện mìn, kích hoạt thiết bị, vũ khí quân sự, theo dõi mục tiêu,… Hình 4: Ứng dụng trong quân sự Trong y tế: cảm biến để theo dõi bệnh nhân, hệ thống báo động khẩn cấp,… Hình 5: Ứng dụng trong y tế
3 Giao thông: Hệ thống định vị phương tiện, hệ thống báo hiệu kẹt xe,… Hình 6: Ứng dụng trong giao thông Trong gia đình: hệ thống cảm biến giao tiếp và điều khiển với các thiết bị thông minh. Hình 7: Ứng dụng trong gia đình Tuy nhiên, thời gian sống của các nút cảm biến rất ngắn vì đặc điểm của mạng cảm biến không dây là năng lượng bị giới hạn (thường là pin), các nút cảm biến khó có thể nạp bổ sung năng lượng do các cảm biến phân tán rộng nên khó thu hồi lại,
4 một số cảm biến nằm trong môi trường nguy hiểm, độc hại, vì vậy phải có giải pháp để kéo dài thời gian sống của WSN. Nhằm nâng cao thời gian sống của các cảm biến, bằng cách quản lý tốt và hiệu quả năng lượng, cần phải xây dựng một thuật toán định tuyến sau: • Xét trên một mạng lưới cảm biến không dây với các nút cảm biến được triển khai trong không gian điện toán đám mây. • Do các nút cảm biến tiêu hao năng lượng không đồng đều, dẫn đến một số nút cảm biến ngưng hoạt động gây ảnh hưởng đến việc thu thập dữ liệu, truyền dữ liệu về trạm gốc, gây ảnh hưởng đến thời gian sống của mạng. Từ đó, đề xuất một thuật toán xác định nút trưởng cụm hiệu quả, loại bỏ một số nút không thích hợp làm trưởng cụm nhằm thu thập đầy đủ dữ liệu và để cải thiện thời gian sống của mạng cảm biến không dây. Đề tài như sau: “Thuật toán định tuyến dựa trên logic mờ tích hợp máy học nhằm cải tiến thời gian sống của mạng cảm biến không dây”. 2. Tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài Trên thế giới, có nhiều giải thuật đã hạn chế mức tiêu thụ năng lượng của các cảm biến bằng cách tổ chức các nút mạng thành nhiều khu vực hoặc nhiều cụm, mỗi cụm được quản lý bởi một nút trưởng cụm, nút trưởng cụm thu thập dữ liệu từ các nút thành viên và xử lý dữ liệu tại nút trưởng cụm trước vì có thể có dữ liệu trùng lặp nhằm giảm năng lượng tiêu thụ của toàn hệ thống, sau đó truyền về trạm gốc để hạn chế tiêu thụ năng lượng. Hiện nay, các nhà khoa học đã đưa ra một trong những cách mới để nâng cao hiệu suất (thời gian sống của mạng, số nút còn sống, năng lượng còn lại, năng lượng trung bình) của các WSN là sử dụng các giải thuật định tuyến giúp giảm tiêu hao năng lượng. Việc kéo dài thời gian sống của WSN dựa trên các thuật toán định tuyến phân cụm LEACH, LEACH – C, CHEF (Cluster Head Election mechanism using Fuzzy logic), DCHFC (Dynamic Cluster Head Selection Using Fuzzy Logic on Cloud) [3].
5 Trong số các công trình nghiên cứu ứng dụng nêu trên, nghiên cứu về vấn đề giải thuật định tuyến trong mạng cảm biến không dây đã và đang được các nhà khoa học trên thế giới cũng như trong nước quan tâm. 3. Mục tiêu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn Mục tiêu chính của đề tài là đề xuất thuật toán định tuyến dựa trên logic mờ tích hợp máy học nhằm cải tiến thời gian sống của mạng cảm biến không dây. Xuất phát từ mục tiêu chính trên, đề án hướng tới những mục tiêu cụ thể như sau: • Nghiên cứu các thuật toán cải thiện thời gian sống của các nút mạng trên WSN như: các thuật toán như giao thức phân cụm LEACH, LEACH-C, LEACH-CD, logic mờ. Nghiên cứu cách thực hiện tối ưu trong việc chọn cụm để kéo dài thời gian sống trong WSN. • Nghiên cứu logic mờ và máy học, tích hợp máy học và logic mờ để tăng thời gian sống của WSN. • Đề xuất thuật toán định tuyến hợp lý với logic mờ tích hợp máy học để tiết kiệm tối đa năng lượng tiêu thụ của các nút nhằm kéo dài thời gian sống của WSN. 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4.1. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: • Mạng cảm biến không dây và tính chất, đặc điểm mạng cảm biến không dây (WSN). • Các thuật toán phân cụm LEACH, LEACH-C, LEACH-CD… nhằm tăng thời gian sống của WSN. • Các thuật toán Fuzzy logic và máy học nhằm cải thiện thời gian sống cho WSN.
6 4.2. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu: • Nghiên cứu các kiến trúc WSN. • Tìm hiểu về giao thức phân cụm LEACH và các biến thể của LEACH. • Các giao thức dựa trên logic mờ, máy học. 5. Phương pháp nghiên cứu 5.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết • Tìm hiểu các phương pháp định tuyến hiện nay, tìm hiểu về mạng và kiến trúc WSN. • Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về thuật toán phân cụm k-Means. • Tìm hiểu sự kết hợp của phân cụm k-Means với logic mờ trên WSN. 5.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm Mô phỏng thuật toán đề xuất thông qua phần mềm Matlab hoặc ngôn ngữ Python, phân tích kết quả đạt được so với một số thuật toán được nghiên cứu trước đây. 6. Bố cục đề án Bên cạnh phần mở đầu, phần kết luận và phần tài liệu tham khảo, phần nội dung chính của đề án được chia thành 4 chương chính như sau: Chương 1: Tổng quan đề tài Chương 2: Các công trình liên quan Chương 3: Thuật toán đề xuất Chương 4: Thực nghiệm và đánh giá
7 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1. Giới thiệu chung 1.1.1. Mạng cảm biến không dây (WSN) Mạng cảm biến không dây (WSN – Wireless Sensor Network) có thể hiểu đơn giản là mạng liên kết các cảm biến với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến, hồng ngoại hoặc những phương tiện quang học, trong đó các nút cảm biến thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp... và có số lượng lớn, được phân bố một cách không có cấu trúc cụ thể (non-topology) sử dụng nguồn năng lượng có giới hạn (pin), có thời gian hoạt động từ vài tháng đến vài năm và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ ...). Một số các nút cảm biến có khả năng di chuyển, bằng cách gắn các cảm biến này vào các thiết bị di động. Các nút cảm biến mạng không dây (sensor node) thường có chức năng: Cảm ứng, quan sát môi trường xung quanh (như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng...), theo dõi hay định vị các mục tiêu cố định hoặc di động... Các nút giao tiếp với nhau và truyền dữ liệu về trung tâm một cách gián tiếp [4], tất cả các nút được theo dõi và giám sát bởi một trạm gốc (BS hay base station) [5]. Các nút có thể truyền dữ liệu trực tiếp hoặc truyền đa chặng (multihop) về trạm điều khiển để tiếp tục phân tích dữ liệu và đưa ra các kết luận về môi trường đang được theo dõi, kiểm soát. Lưu lượng dữ liệu có mức độ thấp và không liên tục, do đó, để tối ưu năng lượng, các nút cảm biến thường sử dụng nhiều chế độ hoạt động/nghỉ khác nhau. Đặc biệt, thời gian mà một nút cảm biến dành cho chế độ nghỉ thường nhiều hơn rất nhiều so với thời gian hoạt động, giúp tối đa hóa việc sử dụng năng lượng. Để thu thập toàn diện dữ liệu về môi trường xung quanh, mạng cảm biến không dây được triển khai với một số lượng đáng kể các nút cảm biến, số lượng này có thể lên đến hàng trăm hoặc thậm chí hàng ngàn tùy thuộc vào diện tích của khu vực được giám sát. Do đó, việc quản lý các nút trong mạng cảm biến trở nên đầy thách thức và phức tạp.
8 Các nút mạng cảm biến có giới hạn về năng lượng, cũng như khả năng lưu trữ và xử lý dữ liệu còn hạn chế. Một trong những thách thức lớn nhất của mạng cảm biến không dây là việc tiêu thụ năng lượng. Các nút cảm biến trong mạng thường hoạt động bằng năng lượng từ pin, và việc thay thế pin cho hàng trăm hoặc hàng ngàn nút cảm biến có thể là công việc khó khăn và tốn kém. Do đó, cách duy nhất để duy trì kết nối mạng là sử dụng năng lượng có hiệu quả để kéo dài tuổi thọ của toàn bộ mạng. Các ứng dụng sử dụng mạng cảm biến không dây đòi hỏi phải duy trì kết nối không ngừng với khu vực mà chúng được triển khai, và bất kỳ sự cố nào có thể làm giảm hiệu quả của việc sử dụng cảm biến. Để đảm bảo tuổi thọ mạng, việc tối ưu hóa và sử dụng hiệu quả năng lượng có sẵn là lựa chọn duy nhất và cần thiết. Ngoài ra, tiết kiệm năng lượng trong WSN không chỉ giúp gia tăng tuổi thọ của mạng, mà còn giúp tiết kiệm chi phí và giảm tác động đến môi trường. Hình 1.1: Một mạng cảm biến không dây điển hình [5]
9 1.1.2. Đặc điểm và tính chất của WSN Mạng cảm biến [6] gồm các nút cảm biến, các nút này phải thỏa mãn một số yêu cầu nhất định tùy theo ứng dụng: chúng có thể cảm biến chính xác các thông số môi trường, có khả năng tính toán và có bộ nhớ đủ để lưu trữ, và phải có khả năng thu phát sóng để truyền thông với các nút lân cận. Mỗi nút cảm ứng được cấu thành bởi bốn thành phần cơ bản là: bộ cảm biến (sensing unit), bộ xử lý (processing unit), bộ thu phát không dây (transmission unit) và bộ nguồn (power unit). Tuỳ theo ứng dụng cụ thể, nút cảm biến còn có thể có các thành phần bổ sung như hệ thống tìm vị trí (position finding system), bộ sinh năng lượng (power generator) và thiết bị di động (mobilizer). Các thành phần trong một nút cảm biến được thể hiện trên hình 1.2. Hình 1.2: Cấu trúc cơ bản một nút trong mạng cảm biến [6] Bộ cảm biến gồm đầu cảm biến và bộ chuyển đổi tương tự/số (ADC). Đầu cảm biến thu thông tin từ môi trường và ADC chuyển tín hiệu tương tự thành tín hiệu số để bộ xử lý có thể xử lý. Bộ xử lý thường được kết hợp với một bộ nhớ nhỏ để phân tích thông tin từ cảm biến và quản lý các quy trình tương tác với các nút khác, nhằm phối hợp thực hiện các tác vụ cần thiết. Bộ thu phát trong mạng cảm biến đảm bảo việc giao tiếp giữa nút cảm biến và mạng thông qua các kết nối không dây như vô tuyến, hồng ngoại hoặc tín hiệu quang. Một yếu tố thiết yếu trong một nút cảm biến trong mạng cảm biến là bộ nguồn. Bộ nguồn thường được hỗ trợ bằng các bộ phận lọc như các tế bào năng lượng mặt
10 trời. Ngoài ra, tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể, có thể có thêm các thành phần phụ trợ khác. Đa số các phương pháp định tuyến và các nhiệm vụ cảm biến của mạng đều đòi hỏi độ chính xác vị trí cao. Do đó, sẽ cần các bộ định vị, cũng như các thành phần di động có thể được yêu cầu để di chuyển các nút cảm biến khi cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ cụ thể, chẳng hạn như theo dõi sự di chuyển của một vật thể nào đó. Tất cả các thành phần của nút cảm biến trong mạng phải được thiết kế sao cho phù hợp với kích thước của module tương ứng. Bên cạnh yêu cầu về kích cỡ, nút cảm biến còn phải đáp ứng một số tiêu chuẩn nghiêm ngặt khác, bao gồm việc tiêu thụ năng lượng ở mức tối thiểu, khả năng hoạt động hiệu quả trong điều kiện mật độ nút cảm biến cao, chi phí sản xuất thấp, khả năng tự hoạt động và thích nghi với môi trường. Các yếu tố ảnh hưởng đến mạng cảm biến không dây [6]: Bên cạnh những ưu điểm và các ứng dụng hữu ích, mạng cảm biến không dây cũng tồn tại những hạn chế và khó khăn khi triển khai thực tế. Nhiều yếu tố tác động đến hoạt động của một mạng cảm biến không dây: • Thời gian sống bên ngoài • Sự đáp ứng • Hiệu suất và khả năng tự cấu hình • Tính không đồng nhất • Khả năng thích nghi và mở rộng 1.1.3. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây WSN đã được áp dụng đầu tiên trong lĩnh vực quân sự. Cùng với sự tiến bộ của ngành công nghiệp tự động, robot, thiết bị thông minh, môi trường và y tế, WSN ngày càng trở nên phổ biến trong nhiều khía cạnh khác nhau của cuộc sống con người. Sự đa dạng trong ứng dụng của WSN đã góp phần đáng kể vào việc cải thiện và nâng cao chất lượng công việc của chúng ta. Một số ứng dụng phổ biến phải kể đến của WSN như là: Cảm biến thu thập thông tin về điều kiện môi trường: Các mạng cảm biến không dây được dùng để theo dõi các điều kiện môi trường như nhiệt độ, độ ẩm,