Mạng cảm biến Nhúng
Giới thiệu:
Gần đây mạng cảm biến nhúng được nghiên cứu ở nhiều nơi và được bàn thảo ở nhiều
diễn đàn. Để có cái nhìn đầy đủ về mạng cảm biến nhúng chúng tôi xin giới thiệu bài viết
sau đây [1].
Mạng cảm biến nhúng là mạng các máy tính nhúng triển khai trong thế giới thực nhằm
tương tác với môi trường. Các máy tính trong vai trò những nút mạng cảm biến thực chất
là một kiểu vi mạch tích hợp có kèm các cảm biến và những thiết bị chấp hành. Những vi
mạch tích hợp này có kích thước rất bé và giá tương đối rẻ. Các nút cảm biến được đặt
gần đối tượng cảm nhận và được kết nối thành mạng cho phép truyền dữ liệu cho nhau,
cùng làm công việc giám sát môi trường và có thể tác động lại môi trường. Các nút mạng
cảm biến hiện nay thường ở dạng tĩnh, mặc dù chúng có thể gắn lên đối tượng chuyển
động hoặc tự chúng có thể chuyển động. Để có được những tính chất này cần nhúng
chương trình vào nút mạng để nó có khả năng cảm nhận, chấp hành và truyền dữ liệu, đó
là sự khác biệt của mạng cảm biến với các laptop dùng để tính toán hoặc các hệ thống
cảm biến tập trung truyền thống.
Việc nghiên cứu về mạng cảm biến bắt đầu từ những năm 1990 hoặc sớm hơn, tuy nhiên
thực sự tăng mạnh từ năm 2000 trở lại đây. Vào lúc đó một nút mạng bao gồm CPU, đầu
đo và truyền nhận vô tuyến giá khoảng 1000$. Đến 2004 thì những nghiên cứu đã thực sự
trở nên sôi động, các khuôn dạng phần cứng, phần mềm được thiết lập tốt, những quan
tâm về thương mại gia tăng. Những lĩnh vực được quan tâm nghiên cứu nhất là quân sự,
khoa học và thương mại cho những ứng dụng giám sát thuộc tính sinh học, nông nghiệp
và các quá trình công nghiệp.
Mạng cảm biến đối mặt với ba thách thức: mức tiêu thụ năng lượng phải nhỏ; Cảm nhận
và tương tác với thế giới vật lý thế nào, làm việc theo thuật toán xử lý dữ liệu như thế nào
để khai thác sự phong phú, đa dạng bức tranh về môi trường; Mạng phải tự cấu hình với
quy mô hàng chục, trăm, nghìn nút như một tổng thể.
Phần cứng.
Một phần cứng gồm vi điều khiển, đầu đo, thu phát vô tuyến trên cùng nút mạng là sự
thuận lợi cho mạng cảm biến cả trong thương mại và nghiên cứu. Một nút mạng gồm
CPU +RAM, ROM + I/O + thu phát RF. Thường có 2 loại nút mạng cảm biến, loại nhỏ
với CPU 8 bit, 10-100KB RAM, và loại lớn với CPU 32 bit, 100-1000KB ROM-Fash.
Thí dụ loại nhỏ là Mica-2 motes sử dụng Atmega128 embedded processor, tốc độ nhịp
4MHz, 128KB Flash, 4KB RAM, 8-channels ADC, 48 digital I/O lines, một UART và
một giao diện nối tiếp SPI. Các Motes đã phát triển hàng chục năm qua tại đại học
Berkeley, hiện nay là sản phẩm thương mại của các công ty như Crossbow, Dust
Networks, và Telos. Nhiều viện nghiên cứu cũng chế tạo sản phẩm tương tự là Nymph từ
đại học Colorado [2], và BTnodes từ ETH Zurich [3])
Loại lớn như sản phẩm của Stargate (do Intel thiết kế theo công nghệ Crossbow) hoặc
Cerfcube (từ Intrinsyc). Các thiết bị này được dùng trong nhiều ứng dụng nhúng, dùng
làm gateways để thu thập dữ liệu từ các nút hoặc cho các ứng dụng đòi hỏi nhiều về việc
xử lý tín hiệu.
Quản trị công suất là mối quan tâm đối với cả 2 loại nút mạng nói trên. Để quản trị công
suất phải điều khiển riêng các thành phần phần cứng (CPU, RAM, Flash, radio, sensors).
Nguồn nuôi nút mạng thường là pin hoặc acquy và nhu cầu cấp năng lượng bằng pin mặt
trời hoặc từ nguồn khác trở nên quan trọng.
Các cảm biến - Sensors
Cảm biến phải đồng thời được thu nhỏ kích thước như phần vô tuyến (radios) và bộ xử lý
(processors). Sự xuất hiện của cảm biến dạng vi cơ điện tử (MEMS sensors) đáp ứng yêu
cầu này. Nhiều sensors dạng MEMS đã làm việc cùng các nút mạng. Mặc dù có rất nhiều
dạng sensor khác nhau nhưng chúng đều có một nguyên lý thao tác như nhau: khi môi
trường thay đổi kéo theo sự thay đổi thuộc tính điện của các vật liệu được chọn thích ứng.
Các sensors kết hợp các mạch điện để phát hiện sự thay đổi thuộc tính điện và được
chuẩn hóa để đo chính xác các hiện tượng môi trường tương ứng. Thí dụ sensor nhiệt độ
dựa vào sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ trong vật liệu đặc biệt. Việc lựa chọn vật liệu
loại nào (từ kim loại đến bán dẫn) là tùy theo yêu cầu về vùng cảm nhận và độ nhạy.
Cũng như vậy, một sensor ánh sáng sử dụng vật liệu quang dẫn có đặc tính điện thay đổi
theo lượng ánh sáng chiếu vào. Các sensor gia tốc, đo điện thế sinh ra do sự biến dạng
cấu trúc của vật liệu áp điện, những biến dạng sinh ra do rung động hoặc gia tốc.
Hiện có một nền công nghiệp to lớn dành cho việc chế tạo các Sensors MEMS nhỏ bé.
Công nghiệp này được chia theo loại ứng dụng (thí dụ các công ty như Delphi chế tạo
sensors cho tự động hóa) hoặc theo loại sensor (thí dụ Silicon Designs tập trung chế tạo
sensors độ rung) và một số công ty (thí dụ Ember và Millenial Net), chú trọng vào các
ứng dụng mạng cảm biến không dây.
3. Phần mềm và các giao thức -
Software and Protocols.
Sử dụng phương pháp hệ thống để mô tả các thành phần hạ tầng mạng cảm nhận mục
đích chung kết hợp.
3.1 Kết nối mạng
Kết nối mạng là thành phần trung tâm của mạng sensor, nó cho phép kết dính các nút
riêng biệt để cùng hoạt động. Trong mạng sensor thành phần vô tuyến tiêu thụ năng
lượng nhiều nhất trong từng nút mạng, chiếm khoảng 20-40% khi tất cả các thành phần
đều hoạt động. Tối ưu hóa thủ tục mạng (giao thức -protocols) đưa đến tăng đáng kể thời
gian sống của toàn mạng. Như vậy có thể nghiên cứu các lớp mạng của mạng cảm biến
như thủ tục phân tuyến (routing), liên kết với thủ tục điều khiển thâm nhập môi trường
(MAC) và điều khiển cấu hình là loại dịch vụ nằm giữa hai lớp kể trên.
Các thủ tục điều khiển thâm nhập môi trường (MAC protocols)
Tiết kiệm tiêu thụ năng lượng nút mạng là sự quan tâm chính của các thủ tục MAC. Các
lý do tiêu thụ năng lượng liên quan đến MAC là sự xung đột gói dữ liệu dẫn đến truyền
lại, là thăm dò môi trường (idle listening), là nghe lỏm các gói gửi cho nút khác
(overhearing), là điều khiển lưu lượng (control trafic) bằng cách duy trì tiêu đề gói
(overhead). Trong số đó thăm dò môi trường (idle listening) có thể là tiêu tốn năng lượng
nhiều nhất.
Chuẩn IEEE 802.11 có thủ tục MAC trên cơ sở cạnh tranh (carrier-sense, multiple-access
or CSMA) đã được phát triển rộng rãi cho thương mại. Nó cung cấp tốc độ truyền thông
cao cho các máy tính laptop (lên đến 54Mbps). Tuy nhiên 802.11 ứng dụng cho truyền
thông ngang hàng (peer-to-peer) như đối với mạng sensor, thủ tục này hộ trợ rất ít cho
việc tiết kiệm năng lượng, ngoài ra mạng sensor có tốc độ bít thấp (cỡ 100kbps), nên thủ
tục này không thích hợp cho những nút sensor có nguồn năng lượng và kích thước nhỏ.
Thoạt đầu người ta ứng dụng thủ tục đa thâm nhập chia thời gian (TDMA) cho mạng
sensor. Nhờ cách lập lịch thâm nhập môi trường nên tránh được xung đột, tránh nghe
lỏm, tránh thăm dò môi trường và như thế giảm được đáng kể tiêu thụ năng lượng.
Nhược điểm của thủ tục này là thừa nhận các nhóm nút, gây sự mệt mỏi cho các nút đầu
nhóm và việc di động các nút gặp khó khăn.
Phần lớn mạng sensor có tốc độ dữ liệu khoảng 20 - 40kbps, không cần đến 802.11 tốc
độ cao và thủ tục phức tạp DMA. Một thủ tục tượng tự MAC của 802.11 là PAMAS [4]
tiết kiệm được năng lượng bằng cách không nghe lỏm, hoặc như S-MAC [5, 6] tiết kiệm
năng lượng bởi không thăm dò môi trường. S-MAC đồng bộ các nút trong lập lịch ngủ.
Các nút thức dậy định kỳ, cạnh tranh kênh truyền nếu có dữ liệu cần gửi, sau đó thực hiện
việc truyền dữ liệu hoặc ngủ tiếp. Nhờ điều chỉnh khoảng thời gian ngủ, các chu kỳ làm
việc chỉ chiếm từ 1 đến 50% thời gian, vì vậy giảm được tiêu thụ năng lượng do không
thăm dò môi trường. Thủ tục T-MAC sử dụng kiểu thăm dò thích ứng và yêu cầu gửi sau
cho thông lượng tốt hơn khi có nhiều gói phải gửi hoặc khi dữ liệu truyền qua nhiều bước
nhảy.
Hiện tại chuẩn IEEE 802.15.4 (còn gọi là chuẩn Zigbee) là chuẩn hướng đến mạng sensor
và các ứng dụng tự động nhà ở. Nó có chu trình làm việc tự chọn cố định để tránh thăm
dò môi trường. Còn quá sớm để kết luận về thủ tục này, nhưng chắc chắn một thủ tục
chuẩn sẽ sớm được đưa ra thương mại hóa.
Lớp mạng
Thông tin điều khiển (Overhead) là mối quan tâm lớn của thủ tục phân tuyến mạng
sensor. Nguồn overhead là các thông tin điều khiển truyền như số lượng các thông báo
cập nhật và thông báo yêu cầu tuyến. Sau đây sẽ xem xét thủ tục phân tuyến cho mạng
ad-hoc trên thủ tục Internet và cơ cấu không dựa trên IP. Người ta đang chuẩn hóa các
thủ tục phân tuyến ad hoc không dây dựa trên cơ sở IP. Các thủ tục phân tuyến ad hoc
được nhóm vào các thủ tục loại chủ động tính trước các tuyến đến các nơi nhận, thí dụ
DSDV, và thủ tục thụ động chỉ tính các tuyến đến nơi nhận khi được thông báo về tình
hình tải của mạng, thí dụ AODV và DSR. Overhead điều khiển truyền tỉ lệ thuận với tốc
độ thay đổi liên kết. Riêng thủ tục thụ động overhead phụ thuộc tốc độ truyền đến nơi
nhận mới. Các thủ tục thụ động phù hợp tốt với các mạng thay đổi nhiều, thí dụ có nhiều
nút di động. Với các mạng sensor có các trạm tĩnh như hiện nay, sử dụng thủ tục chủ
động là thích hợp bởi vì các liên kết thỉnh thoảng mới thay đổi, sử dụng thủ tục đó đơn
giản, không có trễ do tìm tuyến.
Ngoài thủ tục phân tuyến dựa trên IP còn có thủ tục phân tuyến địa lý và truyền trực tiếp
dành riêng cho mạng sensor. Thủ tục phân tuyến theo địa lý như GPSR và những thủ tục
tương tự, tuy xuất phát từ mạng có dây, nhưng đã khai thác được đặc tính không gian của
mạng sensor và của truyền thông vô tuyến. Thủ tục truyền trực tiếp kết hợp thủ tục phân
tuyến chủ động như thủ tục vec tơ khoảng cách, với cơ cấu phân tuyến theo thuộc tính và
coi trọng xử lý dữ liệu trên mạng. Các phương án truyền trực tiếp tạo ra một số phân
tuyến khác nhau theo cùng một giao diện.
Xử lý dữ liệu trên mạng hiệu quả là quan trọng đối với truyền dữ liệu. Các thí dụ xử lý
như nén đúp dữ liệu, tập hợp dữ liệu và lọc thống kê. Khi dữ liệu được phát từ nhiều đầu
đo, xử lý dữ liệu trên mạng là tập hợp những dữ liệu ở những vị trí gần nhau và lọc chứ
không gửi tất cả đi, như thế giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ.