Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu giải pháp quản lý năng lượng cho mạng cảm biến không dây

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:84

Thêm vào BST

Báo xấu

49
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong luận văn này, tác giả đi sâu vào nghiên cứu về việc quản lý năng lượng trong mạng cảm biến không dây và đề xuất các phương pháp nhằm tối ưu hóa năng lượng trong mạng cảm biến không dây, kéo dài thời gian sống của mạng mà vẫn đảm bảo số liệu được thu thập và phản ánh một cách đầy đủ nhất.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu giải pháp quản lý năng lượng cho mạng cảm biến không dây

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------------- TRẦN THANH HÀ NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP QUẢN LÝ NĂNG LƢỢNG CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2017
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------------- TRẦN THANH HÀ NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP QUẢN LÝ NĂNG LƢỢNG CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Chuyên ngành : Vật lý vô tuyến điện tử Mã số : 60440105 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. LÊ QUANG THẢO Hà Nội - 2017
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận văn: “Nghiên cứu giải pháp quản lý năng lƣợng cho mạng cảm biến không dây” Là do bản thân tôi thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn của TS. Lê Quang Thảo. Các số liệu, kết quả đƣợc trình bày trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Trần Thanh Hà
LỜI CẢM ƠN Để hoàn thiện luận văn, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy hƣớng dẫn của tôi, TS.Lê Quang Thảo.Trong suốt quá trình thực hiện luận văn, thầy đã tận tìnhhƣớng dẫn, giúp đỡ để tôi có thể hoàn thành luận văn của mình. Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy cô giáo trong Bộ môn Vật lý Vô tuyến, Khoa Vật lý, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội đã truyền đạt cho tôi những kiến thức và kinh nghiệm quí báu trong quá trình học tập và nghiên cứu. Nghiên cứu này được tài trợ bởi Đại học Quốc gia Hà Nội trong đề tài mã số QG.17.09.Tôi xin trân trọng cảm ơn sự tài trợ quý báu đó. Tôi xin cảm ơn đến các cán bộ quản lý thiết bị, máy móc thuộc danh mục thiết bị bảng A đƣợc trang bị tại Bộ môn Vật lý Vô tuyến, Khoa Vật lý. Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội. Các thiết bị đƣợc sử dụng gồm: “Dao động ký số điện tử DL1720E, Keithly 2000…” Tôi cũng bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè,đồng nghiệp, những ngƣời đã ủng hộ và động viên giúp đỡ tôi trong thời gian làm luận văn. Hà Nội, tháng 12 năm 2017 Trần Thanh Hà
MỤC LỤC MỞ ĐẦU………………………………………………………………………………1 CHƢƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ........................... 3 1.1. Khái niệm ........................................................................................................... 3 1.2. Kiến trúc mạng cảm biến không dây .................................................................. 5 1.2.1.Lớp vật lý ........................................................................................................ 6 1.2.2.Lớp liên kết dữ liệu ......................................................................................... 7 1.2.3.Lớp mạng ........................................................................................................ 8 1.2.4.Lớp giao vận.................................................................................................... 9 1.2.5.Lớp ứng dụng ................................................................................................ 10 1.3. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây ........................................................ 11 1.3.1.Ứng dụng trong lĩnh vực y tế và chăm sóc sức khỏe .................................... 11 1.3.2.Ứng dụng trong lĩnh vực môi trƣờng ............................................................ 12 1.3.3.Ứng dụng vào các thiết bị trong nhà ............................................................. 14 1.3.4. Ứng dụng trong công nghiệp ...................................................................... 14 1.3.5.Ứng dụng trong lĩnh vực quân sự ................................................................. 15 Kết luận chƣơng 1 ...................................................................................................... 15 CHƢƠNG 2. NGUYÊN NHÂN MẤT MÁT NĂNG LƢỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ..................................................................................................... 16 2.1. Node cảm biến..................................................................................................... 17 2.1.1. Vi điều khiển (MCU) ................................................................................... 17 2.1.2. Radio (Transceiver) ...................................................................................... 18 2.1.3. Bộ nhớ .......................................................................................................... 19 2.1.4. Cảm biến ...................................................................................................... 19 2.2. Quá trình truyền dữ liệu ...................................................................................... 20 2.3. Truyền thông ....................................................................................................... 22 Kết luận chƣơng 2 ...................................................................................................... 27 CHƢƠNG 3. TIÊU THỤ NĂNG LƢỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN ................... 28 KHÔNG DÂY ................................................................................................................ 28
3.1. Kiến trúc node cảm biến ..................................................................................... 28 3.2. Nguồn năng lƣợng ............................................................................................... 32 3.3. Giao thức MAC ................................................................................................... 33 Kết luận chƣơng 3 ...................................................................................................... 36 CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM, TÍNH TOÁN NĂNG LƢỢNG ............... 38 CHO MỘT MẠNG CẢM BIẾN .................................................................................... 38 4.1. Năng lƣợng mạng ................................................................................................ 38 4.2.Các phƣơng pháp đo năng lƣợng thƣờng dùng .................................................... 39 4.2.1. Phƣơng pháp đo sử dụng đồng hồ đầu kẹp .................................................. 39 4.2.2. Phƣơng pháp đo sử dụng bằng siêu tụ điện. ................................................ 40 4.2.3. Phƣơng pháp đo sử dụng điện trở Shunt. ..................................................... 41 4.3.Khảo sát tiêu thụ năng lƣợng trong node ............................................................. 42 4.3.1. Tiêu thụ năng lƣợng trên vi điều khiển ........................................................ 44 4.3.2. Tiêu tốn năng lƣợng ở cảm biến .................................................................. 44 4.3.3. Tiêu tốn năng lƣợng ở bộ thu phát vô tuyến ................................................ 48 4.4. Tiêu thụ năng lƣợng trong mạng ......................................................................... 51 4.4.1. Số lƣợng node có trong mạng ...................................................................... 52 4.4.2. Tốc độ truyền dữ liệu trong mạng ................................................................ 53 4.4.3. Số lần gửi lặp lại (retry) ............................................................................... 54 4.4.4. Công suất phát .............................................................................................. 55 4.5. Giải pháp đề xuất ................................................................................................ 56 Kết luận chƣơng 4 ...................................................................................................... 58 KẾT LUẬN CHUNG ..................................................................................................... 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 62 PHỤ LỤC ....................................................................................................................... 64
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Cụm từ Nghĩa tiếng Việt Tín hiệu sử dụng trong truyền thông số ACK Acknowledgement để đảm bảo dữ liệu đƣợc nhận ADC Analog Digital Converter Bộ chuyển đổi tƣơng tự - số ARQ Automatic Repeat Request Tự động lặp lại yêu cầu AVR Vi điều khiển họ AVR ComplementaryMetal CMOS Mạch công nghệ tích hợp Oxide Semiconductor CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm General Packet Radio GPRS Dịch vụ gói tin vô tuyến tổng hợp Service ID Identification Nhận diện IEEE Institute of Electrical and Viện điện, điện tử quốc tế Electronics Engineers Industrial, Scientific and Chuẩn công nghiệp, nghiên cứu khoa ISM Medical học và y tế FEC Forward Errorcorrection Sửa lỗi chuyển tiếp LCD Liquid Crystal Display Màn hiển thị tinh thể lỏng LPL Low Power Listening Chế độ nghe công suất thấp Low-rate Wireless Personal LR-WPANs Mạng cá nhân không dây tốc độ thấp Area Networks MAC Media Access Control Điều khiển truy cập đƣờng truyền MCU Microcontroller unit Đơn vị vi xử lý trung tâm NACK Negative acknowledgement Tín hiệu xác thực phủ định Open System Mô hình tham chiếu kết nối các hệ OSI Interconnection Reference thống mở model
PLL Phase – locked loop Vòng khóa pha PA Power Amplifier Bộ khuếch đại công suất RAM Random Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên RF Radio frequency Tần số radio Reduced Instruction Set RISC Cấu trúc tập hợp lệnh rút gọn Computer RX Receiver Máy thu SPI Serial Peripheral Interface Giao tiếp ngoại vi nối tiếp Transmission Control TCP Giao thức điều khiển truyền vận Protocol TX Transmitter Máy phát UWASA Tên riêng kiến trúc UWASA Voltage Controlled VCO Bộ điều khiển dao động theo điện áp Oscillator WSNs Wireless Sensor Networks Mạng cảm biến không dây Tên riêng giao thức mạng không dây ZigBee ZigBee
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.Cấu hình của node khi khảo sát tiêu thụ năng lƣợng khi đọc cảm biến……...42 Bảng 2. Bảng so sánh mức tiêu thụ năng lƣợng thực tế ở một vài chế độ của vi điều khiển so với thông số nhà sản xuất……………………………………………………44 Bảng 3.Cấu hình gói dữ liệu khi truyền tin bằng mô đun vô tuyến nRF24L01………48 Bảng 4. Các thông số của node cảm biến để khảo sát năng lƣợng của mạng cảm biến……………………………………………………………………………………52
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1.Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến. ................................................................ 3 Hình 2.1.Năng lƣợng tiêu thụ ở một node cảm biến MicaZ .......................................... 17 Hình 2.2. Mô hình năng lƣợng đơn giản ........................................................................ 26 Hình 3.1. Sơ đồ cơ bản của một node cảm biến............................................................. 29 Hình 3.2. Năng lƣợng tiêu thụ trong mạng cảm biến..................................................... 30 Hình 3.3. Cơ chế hoạt động của S-MAC ....................................................................... 34 Hình 3.4. Chu kì hoạt động của T-MAC........................................................................ 35 Hình 4.1. Phƣơng pháp đo năng lƣợng bằng đồng hồ đầu kẹp ...................................... 40 Hình 4.2. Phƣơng pháp đo năng lƣợng sử dụng siêu tụ điện ......................................... 41 Hình 4.3.Phƣơng pháp đo năng lƣợng sử dụng điện trở Shunt ...................................... 41 Hình 4.4. Sử dụng điện trở Shunt để khảo sát tiêu thụ năng lƣợng trong node cảm biến ........................................................................................................................................ 43 Hình 4.5. Các quá trình tiêu thụ năng lƣợng khi node đọc cảm biến............................. 44 Hình 4.6.Tiêu tốn năng lƣợng khi node đọc giá trị cảm biến DHT11 ........................... 45 Hình 4.7. Tiêu tốn năng lƣợng khi node đọc giá trị ADC từ quang trở (CdS) .............. 46 Hình 4.8. Tiêu tốn năng lƣợng khi node truyền dữ liệu bằng mô-đun vô tuyến nRF24L01 ...................................................................................................................... 49 Hình 4.9. Đo tiêu thụ năng lƣợng khi node truyền dữ liệu ............................................ 50 Hình 4.10. Sơ đồđo năng lƣợng trong mạng .................................................................. 52 Hình 4.11. Ảnh hƣởng của tốc độ truyền dữ liệu đến năng lƣợng node cảm biến ........ 54 Hình 4.12. Ảnh hƣởng của công suất đầu ra tới năng lƣợng tiêu thụ ............................ 56
MỞ ĐẦU Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, kĩ thuật đo lƣờng đặc biệt là mạng cảm biến không dây đã mang lại những hiệu quả to lớn cho cuộc sống của con ngƣời. Với những tính năng riêng biệt, mạng cảm biến không dây đã giúp con ngƣời thám hiểm, khám phá ở nhiều địa hình khác nhau ngay cả những địa hình hiểm trở hay môi trƣờng độc hại con ngƣời không thể tiếp cận. Hiện nay, mạng cảm biến không dây đƣợc ứng dụng trong tất cả các lĩnh vực từ quân sự đến dân sự, thực hiện rất nhiều các công việc khác nhau nhƣ giám sát địa hình, cảnh báo các hiện tƣợng thiên tai, dự báo thời tiết, quản lý chất lƣợng sản phẩm, theo dõi sức khỏe con ngƣời hay đƣợc tích hợp vào các thiết bị điện trong nhà. Bên cạnh những khả năng vƣợt trội giúp mạng cảm biến không dây đƣợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, mạng cảm biến không dây cũng gặp không ít trở ngại và thách thức trong đó phải kể đến vấn đề năng lƣợng tiêu thụ.Tiêu thụ năng lƣợng ở node cảm biến rất quan trọng vì thời gian sống của node mạng quyết định chất lƣợng của toàn mạng.Trong khi đó, năng lƣợng duy trì hoạt động mạng chủ yếu phụ thuộc vào pin và việc thay hay sạc lại pin là không khả thi. Đƣợc sự định hƣớng và chỉ dẫn của Tiến sĩ Lê Quang Thảo, tác giả đã chọn đề tài luận văn “Nghiên cứu giải pháp quản lý năng lƣợng cho mạng cảm biến không dây”.Trong luận văn này, tác giả đi sâu vào nghiên cứu về việc quản lý năng lƣợng trong mạng cảm biến không dây và đề xuất các phƣơng pháp nhằm tối ƣu hóa năng lƣợng trong mạng cảm biến không dây, kéo dài thời gian sống của mạng mà vẫn đảm bảo số liệu đƣợc thu thập và phản ánh một cách đầy đủ nhất. Nội dung của luận văn đƣợc chia làm 4 chƣơng nhƣ sau: Chƣơng 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây. Chƣơng này sẽ giới thiệu các khái niệm về mạng cảm biến không dây, kiến trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây và một số ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong đời sống 1
Chƣơng 2: Nguyên nhân mất mát năng lƣợng trong mạng cảm biến không dây. Chƣơng 2 nghiên cứu các hình thức tiêu thụ năng lƣợng từ đó chỉ ra các nguyên nhân gây ra sự mất mát năng lƣợng trong mạng cảm biến không dây. Chƣơng 3: Tiêu thụ năng lƣợng trong mạng cảm biến không dây. Chƣơng 4: Kết quả thực nghiệm và tính toán năng lƣợng trong mạng cảm biến cụ thể. Với những hạn chế về thời gian và kiến thức trong luận văn này tác giả đã tìm hiểu và đề xuất một số giải pháp nhằm tối ƣu hóa năng lƣợng cho mạng cảm biến không dây. 2
CHƢƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Với sự tiến bộ của khoa học máy tính, công nghệ tự động hóa, kĩ thuật vô tuyến điện tử và các kỹ thuật liên quan khác đã góp phần vào sự phát triển mạnh mẽ của mạng cảm biến không dây. Một mạng cảm biến không dây sẽ bao gồm các node cảm biến, ít nhất một bộ vi xử lý, bộ thu phát vô tuyến, bộ nhớ, nguồn điện, bộ chuyển đổi tƣơng tự sang số (ADC). 1.1. Khái niệm Mạng cảm biến không dây đƣợc tổ chức bởi một số lƣợng lớn các node cảm biến không dây có thể xử lý dữ liệu, thu thập thông tin và giao tiếp với nhau trực tiếp hoặc qua đƣờng dẫn trong mạng. Trong mạng cảm biến không dây, các node cảm biến đƣợc trang bị với bộ xử lý cho phép xử lý dữ liệu phân tán, kiểm soát và điều khiển các hoạt động trong mạng. Mạng cảm biến không dây có thể áp dụng trong các môi trƣờng có điều kiện khác nhau do đó nó đƣợc ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực nhƣ y tế và chăm sóc sức khoẻ, môi trƣờng và giám sát sinh thái, tự động hóa thiết bị trong nhà hoặc các tòa nhà, giám sát công nghiệp và chiến trƣờng. [13] Hình 1.1.Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến. Các node cảm biến thƣờng nằm rải rác trong một trƣờng cảm biến, có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến dữ liệu đến bộ thu nhận dữ liệu trung gian bằng kiến trúc 3
cơ sở hạ tầng đa tầng và đến thiết bị ngƣời dùng. Bộ thu nhận dữ liệu trung gian giao tiếp với node quản lý tác vụ hoặc thiết bị ngƣời dùng qua Internet, vệ tinh hoặc bất kì loại mạng không dây nào nhƣ Wifi, mạng lƣới,…hoặc bộ thu nhận dữ liệu trung gian có thể đƣợc kết nối trực tiếp với thiết bị ngƣời dùng. Không giống nhƣ các mạng truyền thống, một mạng cảm biến không dây có nhiều đặc điểm về thiết kế riêng và hạn chế về nguồn lực. Các ràng buộc về nguồn lực bao gồm nguồn năng lƣợng hạn chế, phạm vi truyền thông ngắn, băng thông thấp, hạn chế trong xử lý và lƣu trữ ở mỗi node. Các ràng buộc về thiết kế phụ thuộc vào ứng dụng và dựa trên môi trƣờng đƣợc giám sát. Môi trƣờng ứng dụng đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định kích thƣớc của mạng, sơ đồ triển khai mạng, và topo mạng.Đối với môi trƣờng trong nhà, yêu cầu số lƣợng node ít hơn vì giới hạn không gian trong khi với môi trƣờng ngoài trời có thể yêu cầu nhiều số node hơn để bao phủ đƣợc một khu vực rộng lớn.Các vật cản trong môi trƣờng có thể gây hạn chế giao tiếp giữa các node, do đó ảnh hƣởng đến kết nối mạng. [12,13] Những lợi thế của mạng cảm biến không dây là rất nhiều: nó rất dễ dàng để đạt đƣợc hiệu quả, có khả năng mở rộng với mật độ dày đặc do chi phí thấp và kích thƣớc nhỏ của các node cảm biến. Thông thƣờng, các giao thức mạng cảm biến cụ thể và các thuật toán với khả năng tự tổ chức đƣợc thiết kế và áp dụng đến các node cảm biến, toàn bộ mạng cảm biến thƣờng hoạt động độc lập, ít đƣợc bảo trì nên mạng có thể gặp sự cố do sự hỏng hóc của node, sự thay đổi của node hoặc sự cạn kiệt năng lƣợng của node. Hơn nữa, các node cảm biến có thể đƣợc triển khai trong môi trƣờng khắc nghiệt để thực hiện một nhiệm vụ nhất định mà không có bất kỳ can thiệp của con ngƣời. Mạng cảm biến không dây cũng gặp một số khó khăn nhƣ khả năng xử lý hạn chế và tỷ lệ lƣu trữ dữ liệu thấp của các node cảm biến không thể đảm bảo hiệu suất cao ở một số ứng dụng yêu cầu thời gian thực. Phạm vi truyền thông ngắn có thể gây lãng phí năng lƣợng và mạng hoạt động không hiệu quả, vì vậy truyền thông đa hƣớng luôn luôn đƣợc yêu cầu cho việc truyền dữ liệu giữa các node nguồn và bộ thu nhận dữ 4
liệu trung gian. Cải thiện khả năng xử lý dữ liệu bằng cách sử dụng bộ vi xử lý mạnh mẽ không phải là giải pháp tối ƣu, vì năng lƣợng sẽ bị cạn kiệt nhanh chóng và làm cho mạng không thực hiện đƣợc nhiệm vụ. Năng lƣợng hạn chế cũng không thể duy trì hoạt động của truyền thông đa hƣớng trong một thời gian dài. Do đó, năng lƣợng tiêu thụ là vấn đề cần ƣu tiên khi thiết kế mạng cảm biến không dây.[18] 1.2. Kiến trúc mạng cảm biến không dây Kiến trúc mạng cảm biến không dây thƣờng đƣợc tổ chức theo mô hình OSI với 5 lớp: Lớp ứng dụng, lớp vận chuyển, lớp mạng, lớp liên kết dữ liệu và lớp vật lý và ba mặt phẳng ngang: mặt phẳng quản lý công suất, mặt phẳng quản lý di chuyển, mặt phẳng quản lý nhiệm vụ.[12] Lớp vật lý đáp ứng nhu cầu đơn giản nhƣng mạnh về phần điều chế, truyền tải, và tiếp nhận các kỹ thuật. Vì môi trƣờng có nhiều tạp âm và các node cảm biến có thể là di động, lớp liên kết chịu trách nhiệm đảm bảo truyền thông tin cậy thông qua kỹ thuật kiểm soát lỗi và quản lý truy cập kênh qua giao thức MAC để giảm thiểu xung đột truyền phát với các node lân cận. Tùy thuộc vào nhiệm vụ của cảm biến, các loại phần mềm ứng dụng khác nhau có thể đƣợc xây dựng và sử dụng trên lớp ứng dụng.Lớp mạng quan tâm đến việc định tuyến dữ liệu đƣợc cung cấp bởi lớp giao vận.Lớp giao vận giúp duy trì luồng dữ liệu nếu ứng dụng mạng cảm biến yêu cầu. Ngoài ra, mặt phẳng quản lý năng lƣợng, mặt phẳng quản lý di động, và mặt phẳng quản lý nhiệm vụ theo dõi năng lƣợng, sự dịch chuyển và phân bố nhiệm vụ giữa các node cảm biến. Các mặt phẳng này giúp các node cảm biến phối hợp cảm nhận nhiệm vụ và giảm tiêu thụ điện năng tổng thể.[13] Mặt phẳng quản lý điện năng quản lý năng lƣợng sử dụng trong một node cảm biến. Ví dụ, node cảm biến có thể tắt bộ thu phát vô tuyến sau khi nhận tin nhắn từ một trong những node lân cận của nó để tránh nhận cùng một tin nhắn nhiều lần. Ngoài ra, khi mức công suất của node cảm biến thấp, node cảm biến thông báo cho các node lân cận biết rằng nó có năng lƣợng thấp, không thể tham gia vào các tin nhắn định tuyến và 5
năng lƣợng còn lại sẽ đƣợc dành để nhận tin. Mặt phẳng quản lý di động phát hiện và đăng ký các chuyển động của bộ node cảm biến, do đó giao tiếp với thiết bị ngƣời dùng luôn luôn đƣợc duy trì, và các node cảm biến có thể theo dõi các node xung quanh nó. Nhờ việc giao tiếp với các node lân cận, các node cảm biến có thể cân bằng năng lƣợng và nhiệm vụ của chúng. Mặt phẳng quản lý nhiệm vụ cân bằng và lên lịch cho các nhiệm vụ cảm nhận đƣợc đƣa ra cho một khu vực cụ thể. Không phải tất cả các node cảm biến trong khu vực đó đều đƣợc yêu cầu thực hiện công việc cảm nhận cùng một lúc, một số node cảm biến thực hiện nhiệm vụ nhiều hơn những node khác, tùy thuộc vào mức công suất của chúng.Những mặt phẳng quản lý là cần thiết để các node cảm biến có thể làm việc với nhau một cách hiệu quả, tiết kiệm năng lƣợng, định tuyến đƣờng đi trong mạng cảm biến di động và chia sẻ tài nguyên giữa các node. Không có chúng, node cảm biến sẽ làm việc riêng lẻ do đó các mặt phẳng chéo giúp mạng hoạt động hiệu quả hơn và khi các node cảm biến có thể cộng tác với nhau, giúp tuổi thọ của mạng cảm biến có thể đƣợc kéo dài.[13,21] 1.2.1. Lớp vật lý Lớp vật lý cung cấp giao diện truyền bit trên môi trƣờng truyền thông vật lý. Nó chịu trách nhiệm tƣơng tác với lớp MAC, thực hiện truyền nhận và điều chế tín hiệu.Sự tƣơng tác giữa lớp vật lý và lớp MAC là một vấn đề quan trọng.Khả năng xảy ra lỗi tại lớp vật lý cao và thời gian thay đổi nhiều trong một môi trƣờng không dây.Lớp MAC tƣơng tác với lớp vật lý để phát hiện và sửa lỗi.Các tƣơng tác khác bao gồm chia sẻ thông tin truyền dẫn và kênh với lớp MAC để đạt đƣợc hiệu quả cao hơn và tận dụng đƣợc tài nguyên. Đối với mạng cảm biến không dây, giảm thiểu tiêu thụ năng lƣợng và tối đa hóa tuổi thọ mạng bắt đầu ở lớp vật lý.Tại lớp vật lý, năng lƣợng đƣợc sử dụng trong hoạt động mạch vô tuyến điện và truyền tải dữ liệu.Năng lƣợng đƣợc sử dụng để chạy mạch vô tuyến đƣợc cố định trong khi năng lƣợng để truyền tải dữ liệu có thể thay đổi.Có 6
một sự tỉ lệ giữa truyền tải và lỗi, lựa chọn đúng công suất truyền tải là cần thiết để giảm thiểu tổn thất năng lƣợng và để mạng vận hành hiệu quả hơn. Các lớp vật lý trong một mạng cảm biến không dây phải có sự tiêu thụ năng lƣợng hiệu quả. Thiết kế lớp vật lý bắt đầu với việc thiết kế bộ thu phát vô tuyến. Việc thiết kế hoặc lựa chọn một bộ thu phát vô tuyến là rất quan trọng vì chúng có thể tác động đến hiệu năng của lớp giao thức. Bộ thu phát vô tuyến là thành phần tiêu tốn năng lƣợng lớn nhất trong node cảm biến nên cần giảm thiểu năng lƣợng chỉ đủ để thực hiện chức năng cảm biến, thu thập dữ liệu của nó và giao tiếp với bộ xử lý trung tâm. Giảm thiểu mức tiêu thụ năng lƣợng ở lớp vật lý đòi hỏi phải có mạch năng lƣợng và tối ƣu đƣợc năng lƣợng truyền tải.Mạch năng lƣợng có thể đƣợc giảm thiểu với giảm thời gian hoạt động và thời gian khởi động, thời gian khởi động ngắn hơn sẽ tiết kiệm lƣợng năng lƣợng tiêu thụ.Ngoài ra, một số giải pháp khắc phục nhƣợc điểm của lớp vật lý cũng đƣợc đề xuất nhƣ lựa chọn băng thông hay các sơ đồ điều chế phù hợp để tiết kiểm điện năng tiêu thụ. Trong tƣơng lai, để nâng cao hiệu quả làm việc của lớp vật lý đòi hỏi các bộ thu phát vô tuyến với công suất thấp, các kĩ thuật siêu băng rộng, các sơ đồ điều chế đơn giản nhằm giảm sự đồng bộ hóa và chi phí năng lƣợng.[15,21] 1.2.2. Lớp liên kết dữ liệu Lớp liên kết dữ liệu chịu trách nhiệm ghép kênh dữ liệu, phát hiện khung dữ liệu, phƣơng tiện truy cập và kiểm soát lỗi.Nó đảm bảo các kết nối điểm-điểm và điểm- đa điểm là đáng tin cậy trong mạng.Các chiến lƣợc tiếp cận và kiểm soát lỗi trung bình cho mạng cảm biến nhƣ giao thức MAC.Giao thức MAC trong mạng không dây đa chức năng tự tổ chức phải đạt đƣợc hai mục tiêu.Mục tiêu đầu tiên là tạo ra cơ sở hạ tầng mạng vì có thể có hàng ngàn node cảm biến trong một ứng dụng cụ thể, chƣơng trình MAC phải thiết lập các liên kết truyền thông để truyền dữ liệu.Điều này tạo thành cơ sở hạ tầng cơ bản cần thiết cho truyền thông không dây và cung cấp khả năng tự tổ chức.Mục tiêu thứ hai là chia sẻ tài nguyên truyền thông một cách công bằng và hiệu quả giữa các node cảm biến.Các nguồn này bao gồm thời gian, năng lƣợng, và tần 7
suất.[12] Một giao thức MAC phải chắc chắn hỗ trợ hoạt động ở các chế độ tiết kiệm năng lƣợng cho node cảm biến ví dụ nhƣ tắt bộ thu phát vô tuyến khi không cần thiết. Mặc dù giải pháp này có thể tiết kiệm một lƣợng năng lƣợng đáng kể nhƣng nó có thể cản trở sự kết nối của mạng. Khi bộ thu phát tắt, node cảm biến không thể nhận đƣợc bất kỳ gói tin nào từ các node lân cận, về cơ bản bị ngắt kết nối khỏi mạng. Hơn nữa, khi khởi động lại bộ thu phát cũng tiêu thụ một lƣợng năng lƣợng nhất định. Hoạt động trong chế độ tiết kiệm điện năng chỉ hiệu quả khi thời gian ở chế độ đó lớn hơn thời gian ngƣỡng. Có thể có một số các chế độ hữu ích nhƣ vậy cho hoạt động của các node cảm biến không dây, phụ thuộc vào trạng thái bộ vi xử lý, bộ nhớ, bộ chuyển đổi ADC, và bộ thu phát. Một trong các chế độ này có thể đƣợc đặc trƣng bởi điện năng tiêu thụ và độ trễ của nó, đó là công suất chuyển đổi đến và đi từ chế độ đó. Một chức năng quan trọng khác của lớp liên kết dữ liệu là kiểm soát lỗi truyền dữ liệu.Hai chế độ kiểm soát lỗi quan trọng trong các mạng truyền thông là chuyển tiếp sửa lỗi (FEC) và tự động lặp lại yêu cầu (ARQ), và bán tự động ARQ. Tính hữu dụng của ARQ trong các ứng dụng mạng cảm biến bị hạn chế bởi sự tiêu tốn năng lƣợng truyền lại và tiêu tốn năng lƣợng bổ sung. Mặt khác, giải mã phức tạp hơn trong FEC nhƣ khả năng hiệu chỉnh lỗi cần đƣợc xây dựng, do đó các mã kiểm soát lỗi đơn giản với độ phức tạp mã hóa và giải mã thấp có thể là các giải pháp tốt nhất cho các mạng cảm biến. Bên trong thiết kế một chƣơng trình nhƣ vậy, điều quan trọng là phải có thông tin tốt về các đặc tính của kênh và kỹ thuật thực hiện.[6] 1.2.3. Lớp mạng Các node cảm biến nằm rải rác trong một trƣờng cảm biến, thông tin thu thập đƣợc đƣợc truyền đến bộ thu nhận dữ liệu trung gian, có thể đƣợc đặt cách xa trƣờng cảm biến. Tuy nhiên, sự hạn chế phạm vi truyền thông của các node cảm biến ngăn cản truyền thông trực tiếp giữa mỗi node cảm biến và bộ thu nhận dữ liệu trung gian. Điều này đòi hỏi hiệu quả của các giao thức định tuyến không dây đa hƣớng giữa các 8
nodecảm biến và bộ thu nhận dữ liệu trung gian sử dụng kết nối trung gian nhƣ các rơle. Các kỹ thuật định tuyến hiện có thƣờng không phù hợp với yêu cầu của mạng cảm biến không dây do đó, lớp mạng của mạng cảm biến thƣờng đƣợc thiết kế theo các nguyên tắc sau: - Hiệu quả năng lƣợng là vấn đề quan trọng - Mạng cảm biến chủ yếu là dữ liệu tập trung - Ngoài định tuyến, các node chuyển tiếp có thể tổng hợp dữ liệu từ nhiều node lân cận - Do số lƣợng lớn các node trong mạng cảm biến nên các ID đƣợc cung cấp cho mỗi node và các node sẽ đƣợc xác định dựa trên dữ liệu hoặc vị trí của chúng. Một vấn đề quan trọng đối với việc định tuyến trong mạng cảm biến không dây là việc định tuyến có thể dựa trên các truy vấn lấy dữ liệu.Dựa trên các thông tin yêu cầu của ngƣời sử dụng, các giao thức định tuyến xác định các node khác nhau mà có thể cung cấp thông tin yêu cầu.Cụ thể hơn, ngƣời dùng quan tâm đến việc truy vấn thuộc tính của hiện tƣợng hơn là truy vấn một node riêng lẻ.Một chức năng quan trọng khác của lớp mạng là cung cấp kết nối với mạng bên ngoài nhƣ các mạng cảm biến khác, hệ thống lệnh, kiểm soát, và Internet. Trong một số trƣờng hợp, bộ thu nhận dữ liệu trung gian có thể đƣợc sử dụng nhƣ một cổng vào các mạng khác, trong khi trƣờng hợp khác là tạo ra một đƣờng chính bằng cách kết nối các bộ thu nhận dữ liệu trung gian với nhau và làm cho đƣờng chính này truy cập vào các mạng khác thông qua một cổng.[13,16] 1.2.4. Lớp giao vận Lớp giao vận đặc biệt cần thiết khi mạng đƣợc thiết kế để truy cập thông qua Internet hoặc các mạng bên ngoài khác trong khi giao thức TCP, với cơ chế truyền dẫn hiện tại nó không giải quyết đƣợc những thách thức này.Không giống nhƣ các giao thức TCP, giao tiếp điểm đầu cuối-đầu cuối xem xét địa chỉ dựa trên dữ liệu hoặc vị trí 9
đƣợc sử dụng để chỉ ra các điểm đến của các gói dữ liệu.Các yếu tố nhƣ điện năng tiêu thụ, khả năng mở rộng, và các đặc tính nhƣ định tuyến dữ liệu tập trung cần đƣợc xử lý khác nhau trong lớp giao vận. Do đó, cần có một giao thức mới cho lớp giao vận. Sự phát triển giao thức lớp giao vận là một nhiệm vụ đầy thách thức bởi vì các node cảm biến bị hạn chế bởi thiết kế phần cứng nhƣ điện năng và bộ nhớ.Kết quả là, mỗi node cảm biến không thể lƣu trữ một lƣợng lớn dữ liệu nhƣ một máy chủ trên Internet, ngoài ra tín hiệu xác thực cũng chiếm một phần dung lƣợng bộ nhớ. Để truyền thông bên trong một mạng cảm biến không dây, giao thức lớp giao vận đƣợc yêu cầu cho hai chức năng chính: độ tin cậy và kiểm soát tắc nghẽn. Tài nguyên hạn hẹp và chi phí năng lƣợng cao ngăn cản độ tin cậy của mạng. Hơn nữa, tắc nghẽn có thể xảy ra do lƣu lƣợng truy cập cao trong các sự kiện nên đƣợc giảm nhẹ bởi các giao thức lớp giao vận. Vì các node cảm biến bị hạn chế về quá trình xử lý, lƣu trữ, và năng lƣợng tiêu thụ do đó giao thức lớp giao vận cần khai thác khả năng hợp tác của các node cảm biến và chuyển thông tin đến bộ thu nhận dữ liệu trung gian chứ không phải là các node cảm biến.[13,20] 1.2.5. Lớp ứng dụng Lớp ứng dụng bao gồm ứng dụng chính cũng nhƣ một số chức năng quản lý.Ngoài ra còn có mã cụ thể cho từng ứng dụng, xử lý truy vấn và các chức năng quản lý mạng cũng nằm trong lớp này. Việc triển khai quy mô lớn các ứng dụng của mạng cảm biến không dây cho thấy kênh không dây có tác động đáng kể đến các giao thức lớp cao hơn.Hơn nữa, hạn chế nguồn lực và đặc tính ứng dụng cụ thể của mô hình mạng cảm biến không dây dẫn đến giải pháp là các lớp chéo phải đƣợc tích hợp chặt chẽ với các lớp giao thức. Bằng cách xóa các ranh giới giữa các lớp cũng nhƣ các giao diện liên kết có thể tăng hiệu quả trong không gian mã và hoạt động của mạng. Sự tƣơng tác gần gũi với các hiện tƣợng vật lý đòi hỏi thông tin vị trí phải đƣợc liên kết chặt chẽ với thời gian. Mạng cảm biến không dây đƣợc sử dụng trong một số 10