Tổng quan về mạng cảm nhận không dây (Wireless Sensor Networks)

TÓM TẮT:

Mạng cảm nhận không dây (Wireless Sensor Networks - WSN) ra đời dựa trên cơ sở ứng dụng những thành tựu cao của công nghệ chế tạo linh kiện vi điện tử và công nghệ thông tin. WSN được sử dụng với nhiều mục đích khác nhau, cả quân sự, dân sự và công nghiệp, với đặc điểm nổi bật là không cần thao tác của con người. Các ứng dụng chủ yếu gồm: đo thông số môi trường và đưa ra các thông báo có ích; điều khiển trong công nghiệp, điều khiển phản ứng hạt nhân; quan sát, giám sát các khu vực quân sự,…

Việc đi sâu nghiên cứu WSC tạo ra các ứng dụng khả dụng, là sự đòi hỏi cần thiết đối với nhà kỹ thuật nhằm áp dụng các thành tựu khoa học phục vụ lợi ích con người.

Từ khóa: mạng cảm nhận không dây, Wireless Sensor Networks, công nghệ cao.

 

1. Khái niệm cơ bản

Ngày nay, các vi điều khiển đã có một bước phát triển mạnh với mật độ tích hợp cao, khả năng xử lý mạnh, tiêu thụ năng lượng ít và giá thành thấp. Khi được nạp phần mềm nhúng, các vi điều khiển này sẽ hoạt động độc lập trong các loại môi trường và những vị trí địa lý khác nhau. Mỗi vi điều khiển khi được tích hợp với bộ thu phát sóng vô tuyến và bộ cảm biến sẽ tạo thành một nút mạng, tập hợp các nút mạng đó trong một phạm vi nhất định, được gọi là mạng cảm nhận không dây (WSN - Wireless Senser Network).

Như vậy, mạng cảm nhận không dây (WSN) là một mạng được cấu thành từ các thiết bị hoạt động độc lập trong không gian, các thiết bị thu thập và truyền về trung tâm giám sát các thông tin về điều kiện môi trường như nhiệt độ, âm thanh, áp suất, độ rung, sự chuyển động,... (Hình 1)

Trong hệ thống WSN còn có các trạm gốc và trung tâm điều khiển. Trạm gốc đóng vai trò cổng kết nối giữa nút mạng và trung tâm điều khiển, tiếp nhận thông tin của các nút mạng và chuyển tới trung tâm điều khiển qua nhiều cách khác nhau. Các nút mạng truyền tin theo kiểu nhiều chặng, từ nút mạng này sang nút mạng khác và về trạm gốc. Từ trạm gốc có thể gửi thông tin cho người sử dụng (trung tâm điều khiển) theo nhiều cách như trực tiếp qua hệ thống máy tính, qua mạng Internet, qua vệ tinh... nhờ đó người giám sát có thể nhận được thông tin dù đang ở bất cứ đâu.

1.1. Ứng dụng của mạng cảm nhận không dây

Ứng dụng của WSN rất phong phú, có thể ứng dụng trong dân dụng, thương mại, công nghiệp hoặc quân sự để giám sát và gửi dữ liệu mà mạng có dây không thực hiện được, hoặc thực hiện với chi phí cao. WSN có thể được triển khai trong những khu vực rộng lớn, hoang vu, ở đó chúng có thể tồn tại mà không cần con người can thiệp trong vài năm. (Hình 2)

Cụ thể, một số ứng dụng của WSN gồm theo dõi và cảnh báo các mức độ của môi trường như độ ẩm, nhiệt độ, áp suất; theo dõi sự chuyển dịch như giám sát giao thông, theo dõi an ninh; điều khiển phản ứng hạt nhân,...

1.2. Đặc điểm của mạng cảm nhận không dây

Các đặc điểm của WSN gồm: Các nút mạng cảm nhận có kích thước nhỏ; Năng lượng nạp được và lưu được bị giới hạn; Hoạt động ở các điều kiện môi trường khắc nghiệt không cần can thiệp của con người; Dễ xảy ra lỗi tại nút mạng, dễ xảy ra lỗi trong truyền dữ liệu; Các nút mạng cảm nhận có thể dịch chuyển được mà không cần thay đổi cấu hình; Mô hình mạng động, linh hoạt; Các nút mạng hỗn hợp, cho phép khả năng mở rộng cao.

1.3. Nền tảng

Phần cứng: Thách thức chính là việc sản xuất được các nút mạng cảm nhận có giá thành thấp và kích thước nhỏ. Các chuẩn: Trong khi các mạng máy tính, viễn thông đã có rất nhiều chuẩn thì với WSN chỉ có một chuẩn là ISO 18000- 7, 6 lowpan và WirelessHART. Một số chuẩn khác đang được nghiên cứu bởi các nhà nghiên cứu như ZigBee, Wibree.

Hệ điều hành: Hệ điều hành cho nút mạng cảm nhận thường ít phức tạp hơn hệ điều hành sử dụng trong các ứng dụng thông thường do 2 nguyên nhân: yêu cầu đặc biệt của ứng dụng WSN và tài nguyên hạn chế của các nút mạng, hệ điều hành dành cho mạng cảm nhận không hỗ trợ thời gian thực. TinyOS là hệ điều hành đầu tiên được thiết kế riêng biệt cho WSN. TinyOS có kích thước nhỏ, mã nguồn mở, dùng mô hình hướng sự kiện, bộ lập dịch đơn giản cho phép vi điều khiển xử lý nhiều tác vụ song song với nguồn tài nguyên hạn chế. TinyOS sử dụng bộ lập trình thao tác kiểu FIFO kết nối mềm dẻo giữa phần cứng và ứng dụng.

Ngôn ngữ lập trình: Lập trình cho các nút mạng cảm nhận khó hơn so với lập trình trên hệ thống máy tính thông thường. Sự hạn chế về nguồn tài nguyên trên nút mạng dẫn đến phát triển một số ngôn ngữ lập trình mới cho WSN. Tuy vậy, ngôn ngữ phổ biến hiện nay để lập trình cho nút mạng cảm nhận là ngôn ngữ C. Một số ngôn ngữ dành cho nút mạng cảm nhận là: c@t (Computation Language), galsC, nesC, Protothreads, SNACK, SQRL.

Thuật toán: WSN được hình thành từ một số lượng lớn các nút cảm nhận, do đó, thuật toán cho WSN hoàn toàn là thuật toán phân phối (distributed algorithm). Trong WSN yếu tố tài nguyên đáng quan tâm nhất là năng lượng và một trong những hoạt động tiêu tốn nhiều năng lượng nhất là truyền dữ liệu. Do đó, trong WSN chủ yếu tập trung vào nghiên cứu thiết kế các thuật toán tối ưu sử dụng năng lượng khi dữ liệu được truyền từ các nút mạng đến trạm gốc. Dữ liệu truyền đi trong mạng thông thường theo kiểu nhiều chặng (từ nút đến nút, sau đó chuyển tiếp lên trạm gốc) với mục đích tiết kiệm năng lượng.

2. Kiến trúc giao thức và hoạt động định tuyến trong mạng cảm nhận không dây

2.1.  Kiến trúc giao thức của mạng cảm nhận không dây

Kiến trúc giao thức WSN bao gồm: Lớp vật lý, lớp liên kết số liệu, lớp mạng, lớp truyền tải, lớp ứng dụng, phần quản lý công suất, phần quản lý di động và phần quản lý nhiệm vụ. Lớp vật lý cung cấp các kỹ thuật điều chế, phát và thu. Tại lớp liên kết dữ liệu, giao thức điều khiển truy cập môi trường

(MAC) phải tối ưu sử dụng năng lượng và có khả năng giảm thiểu xung đột giữa các nút mạng khi truy cập môi trường. Thiết kế giao thức MAC là rất quan trọng vì nó quyết định nhiều đến việc tiêu thụ năng lượng các nút mạng. Lớp mạng đảm bảo các hoạt động định tuyến số liệu được cung cấp bởi lớp truyền tải. Lớp truyền tải giúp duy trì luồng số liệu nếu ứng dụng mạng cảm biến yêu cầu. Tùy theo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm khác nhau có thể được xây dựng và sử dụng ở lớp ứng dụng.

Ngoài ra, các phần quản lý công suất, di chuyển và nhiệm vụ sẽ giám sát việc sử dụng công suất, sự di chuyển và thực hiện nhiệm vụ giữa các nút cảm nhận. Những phần này giúp các nút cảm nhận phân phối nhiệm vụ cảm biến và tiêu thụ năng lượng tổng thể thấp hơn. (Hình 3)

Phần quản lý năng lượng điều khiển việc sử dụng năng lượng của nút mạng. Ví dụ, nút mạng có thể tắt khối thu của nó sau khi thu được một bản tin từ một nút lân cận, điều này giúp tránh việc nhận các bản tin trùng lặp dư thừa không cần thiết. Khi mức năng lượng của nút mạng thấp, nó sẽ phát quảng bá tới các nút lân cận để thông báo nó có mức năng lượng thấp và không thể tham gia vào các bản tin định tuyến. Phần năng lượng còn lại sẽ dành riêng cho nhiệm vụ cảm biến.

Phần quản lý di chuyển phát hiện và ghi lại sự dịch chuyển của các nút cảm nhận để duy trì tuyến tới người sử dụng và các nút có thể lưu vết của các nút cảm nhận lân cận. Nhờ xác định được các nút lân cận, các nút cảm nhận có thể cân bằng giữa công suất và nhiệm vụ thực hiện.

Phần quản lý nhiệm vụ dùng để làm cân bằng và lên kế hoạch các nhiệm vụ cảm biến trong một vùng xác định. Không phải tất cả các nút cảm nhận trong vùng đó đều phải thực hiện nhiệm vụ cảm biến tại cùng một thời điểm. Kết quả, một số nút cảm nhận thực hiện nhiều hơn các nút khác tùy theo mức công suất của nó. Những phần quản lý này là cần thiết để các nút cảm nhận có thể làm việc cùng nhau, sử dụng hiệu quả năng lượng, định tuyến số liệu trong mạng và phân chia tài nguyên giữa các nút cảm nhận.

2.2. Các loại giao thức định tuyến trong mạng cảm nhận không dây

Định tuyến trong WSN là một thách thức lớn do có sự khác biệt không nhỏ giữa đặc điểm của WSN và các mạng thông thường hiện tại.

Thứ nhất, khó có thể xây dựng được cơ chế đánh địa chỉ toàn cầu cho toàn bộ nút mạng cảm nhận khi triển khai, do việc phân bố các nút mạng thường với số lượng lớn, ngẫu nhiên, có sự mở rộng. Các giao thức dựa trên địa chỉ IP, do vậy khó áp dụng cho WSN được.

Thứ hai, các nút mạng dễ xảy ra lỗi hoặc bị ngắt do thiếu công suất, hỏng phần cứng hoặc bị nhiễu môi trường. Trong khi đó, mỗi nút đóng 2 vai trò là truyền số liệu và chọn đường, một số nút cảm biến hoạt động sai chức năng do lỗi nguồn công suất có thể gây ra sự thay đổi cấu hình mạng nghiêm trọng và phải chọn đường lại các gói hoặc phải tổ chức lại mạng.

Thứ ba, luồng dữ liệu phát đi từ các nút mạng có số lượng đáng kể các bản tin bị trùng lặp do các cảm biến có thể thu thập được dữ liệu giống nhau và cùng truyền về trung tâm. Do đó, dữ liệu dư thừa đó cần được giao thức định tuyến loại bỏ để tiết kiệm năng lượng cho nút mạng và tăng băng thông.

Thứ tư, nguyên nhân khiến việc định tuyến trong WSN là một thách thức là do mỗi nút mạng cảm nhận đều có năng lượng, khả năng tính toán và bộ nhớ hạn chế.

Do những khó khăn trên, nhiều giao thức định tuyến mới cho WSN đã được nghiên cứu và ứng dụng. Các giao thức đó có thể được chia thành các loại chính là: ngang hàng, phân cấp và định vị.

Trong giao thức ngang hàng, tất cả các nút thường có vai trò hoặc chức năng như nhau. Hoạt động định tuyến dựa trên cơ chế hỏi đáp, phụ thuộc vào việc đặt tên các gói dữ liệu, do đó loại bỏ được việc gửi dư thừa dữ liệu trong mạng.

Giao thức phân cấp dựa trên việc chia mạng thành các cụm, mỗi cụm có một nút làm chủ có nhiệm vụ tập hợp dữ liệu của các thành viên và loại những dữ liệu không cần thiết trước khi truyền. Nút chủ sẽ được thay đổi khi bắt đầu chu kỳ làm việc mới và sẽ thay nút khác có khả năng đảm nhận chức năng này.

Giao thức định vị sử dụng các thông tin về vị trí của các nút để truyền dữ liệu cho các nút cần thiết, thay vì truyền cho tất cả các nút trong mạng.

3. Các yêu cầu đối với hệ thống mạng cảm nhận không dây

3.1. Yêu cầu chung đối với mạng cảm nhận không dây

Thời gian sống: Một trong những hạn chế của WSN là thời gian sống, yếu tố chủ yếu giới hạn thời gian sống của mạng cảm nhận là năng lượng cung cấp. Mỗi nút mạng cần được thiết kế cơ chế quản lý năng lượng để tối đa hóa thời gian sống của mạng.

Độ bao phủ: Từ những đặc điểm mạng không dây vừa nghiên cứu ở trên. Kỹ thuật truyền đa chặng (multi- hop) cho phép mở rộng độ bao phủ của mạng, về mặt lý thuyết, chúng có khả năng mở rộng vô hạn, người dùng có thể triển khai một mạng nhỏ ban đầu và sau đó tiếp tục thêm các nút. Tuy nhiên, khi khoảng cách truyền tăng, giao thức mạng multi-hop làm tăng năng lượng tiêu thụ của các nút, do đó, sẽ làm giảm thời gian sống của mạng. Hơn nữa, mở rộng mạng cũng sẽ làm tăng chi phí triển khai.

Khả năng trển khai: Ưu điểm lớn nhất của WSN là dễ triển khai. Người sử dụng không cần phải hiểu về mạng và cơ chế truyền thông khi làm việc với WSN. Mạng cảm nhận có khả năng tự cấu hình, các nút được đặt vào môi trường và có thể hoạt động ngay.

Thời gian đáp ứng: Trong các ứng dụng cảnh báo hoặc cảnh báo điều khiển, thời gian đáp ứng hệ thống là một thông số quan trọng để đánh giá hệ thống. Một thông báo cần được tạo ra ngay lập tức khi nút mạng cảm nhận được sự kiện. Yếu tố thời gian đáp ứng nhanh lại xung đột với các kỹ thuật làm tăng thời gian sống của mạng, bởi vì thời gian sống của mạng có thể tăng bằng cách để các nút chỉ hoạt động ở chế độ truyền nhận radio trong thời gian ngắn. Thời gian đáp ứng có thể cải thiện bằng cách cấp nguồn cho một số nút trong toàn bộ thời gian. Tuy nhiên, điều này sẽ làm giảm tính dễ triển khai hệ thống.

Độ chính xác thời gian: Để đạt được độ chính xác theo thời gian, một mạng cần xây dựng và duy trì một thời gian cơ sở toàn cục có thể được sử dụng để sắp xếp các mẫu và các sự kiện theo thời gian. Trong một hệ phân tán, năng lượng cần được mở rộng để duy trì và phân phối tín hiệu đồng hồ. Thông tin đồng bộ thời gian cần liên tục được truyền giữa các nút. Tần số các thông điệp đồng bộ phụ thuộc vào yêu cầu độ chính xác của đồng hồ thời gian.

Tính bảo mật: Trong nhiều trường hợp, thông tin thu nhập được qua WSN có ý nghĩa rất quan trọng và cần phải bảo mật. Việc sử dụng mã hóa và giải mã sẽ làm tăng chi phí về năng lượng và băng thông, tuy nhiên, một số ứng dụng vẫn đòi hỏi phải đảm bảo yêu cầu này. Khi đó, các yêu cầu cho mỗi nút mạng sẽ cao hơn so với các mạng không có bảo mật.

3.2. Các yêu cầu đối với nút mạng cảm nhận không dây

Năng lượng: Để đạt được yêu cầu duy trì năng lượng hoạt động trong nhiều năm, các nút mạng cần phải tiêu thụ năng lượng ở mức rất thấp. Việc tiêu thụ năng lượng thấp đạt được bằng cách sử dụng phần cứng tiêu tốn ít năng lượng, điều khiển chu trình hoạt động của nút mạng. Các thuật toán và các giao thức cần được phát triển để giảm thời gian vi xử lý và mạch thu phát hoạt động, cố gắng đưa chúng về trạng thái nghỉ hoặc ngủ, tiết kiệm năng lượng khi không tham gia truyền nhận.

Tính mềm dẻo: Các nút mạng phải có khả năng thích nghi cao để thích hợp với các ngữ cảnh khác nhau. Mỗi một ứng dụng sẽ yêu cầu về thời gian sống, tốc độ lấy mẫu, thời gian đáp ứng và xử lý nội dung mạng khác nhau. Một kiến trúc WSN cần phải đủ mềm dẻo để cung cấp một dải rộng các ứng dụng. Thêm vào đó, vì lý do chi phí, mỗi thiết bị sẽ chỉ có phần cứng và phần mềm cho một ứng dụng cụ thể. Kiến trúc cần đơn giản để kết hợp và giữa phần cứng và phần mềm. Vì vậy, những thiết bị này đòi hỏi một mức độ cao về tính modul của phần cứng và phần mềm trong khi vẫn giữ được tính hiệu quả.

Sức mạnh: Để hỗ trợ cho các yêu cầu về thời gian sống, mỗi nút cần phải mạnh hơn và tốt hơn. Modul hóa hệ thống là một công cụ mạnh để phát triển hệ thống. Bằng cách chia chức năng hệ thống thành các thành phần con độc lập, mỗi chức năng có thể được kiểm tra đầy đủ trước khi kết hợp chúng thành một ứng dụng hoàn chỉnh. Để làm điều này, các thành phần hệ thống phải độc lập đến mức có thể và có giao tiếp chặt chẽ, để ngăn chặn các tương tác không mong đợi. Để tăng sức mạnh hệ thống khi nút bị lỗi, một WSN cũng cần có khả năng đối phó với nhiễu ngoài từ các mạng không dây khác. Khả năng tránh tắc nghẽn tần số là điều cốt yếu để đảm bảo triển khai mạng thành công.

Tính bảo mật: Các nút riêng lẻ cần có khả năng mã hóa và xác thực. Truyền dữ liệu không dây có độ bảo mật rất thấp, cách bảo mật dữ liệu là mã hóa toàn bộ dữ liệu truyền, CPU cần có khả năng tự thực hiện các thao tác mật mã.

Truyền thông: Một chỉ tiêu bất kỳ WSN nào là tốc độ truyền, năng lượng tiêu thụ và khoảng cách. Nếu các nút được đặt cách xa nhau, chúng không thể tạo được kết nối có độ tin cậy cao. Tốc độ truyền cũng có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của nút mạng. Tốc độ truyền cao làm cho khả năng lấy mẫu hiệu quả hơn và năng lượng tiêu thụ của mạng ít hơn do việc truyền mất ít thời gian hơn.

Khả năng tính toán: Tính toán cho nút mạng tập trung chủ yếu vào xử lý dữ liệu nội mạng và quản lý các giao thức truyền thông không dây mức thấp. Có những yêu cầu giới hạn về mặt thời gian thực đối với truyền thông và cảm biến. Khi dữ liệu tới mạng, CPU cần điều khiển đồng thời radio và ghi lại - giải mã dữ liệu tới. Tốc độ truyền cao hơn đòi hỏi tính toán nhanh hơn. Điều tương tự cũng đúng đối với xử lý dữ liệu cảm biến. Các cảm biến tương tự, có thể phát ra hàng ngàn mẫu trong một giây. Các thao tác xử lý cảm biến nói chung bao gồm lọc số, trung bình hóa, nhận biết ngưỡng, phân tích phổ.

Kích thước và chi phí: Kích thước vật lý và giá thành của mỗi nút mạng có ảnh hưởng tới sự dễ dàng và chi phí khi triển khai WSN. Kích thước nhỏ làm nút mạng có thể đặt được trong nhiều vị trí khác nhau, sử dụng trong nhiều tình huống hơn, giá thành hạ sẽ cho phép triển khai mạng với số lượng nút mạng lớn và do đó, thu thập được nhiều thông tin hơn.

4. Kết luận

Mạng cảm nhận không dây được ứng dụng phục vụ đa dạng, từ quân sự đến dân sự như: thu thập thông tin dữ liệu, điều khiển, giám sát hệ thống,… Việc triển khai hệ thống mạng cảm nhận không dây với chi phí đầu tư thấp, được triển khai trong các điều kiện địa hình, khí hậu phức tạp. Đặc biệt, WSN có khả năng tự tổ chức mạng, khả năng tự xử lý cộng tác và chịu được các hư hỏng, sự cố, do vậy tạo ra triển vọng ứng dụng tiềm năng trong nhiều lĩnh vực.

Khi triển khai được hệ thống mạng cảm nhận không dây, kỹ thuật thiết kế hệ thống cần giải quyết bài toán tối ưu về năng lượng, nhân tố tác động bên ngoài, nắm bắt nhược điểm để đưa ra giải pháp khắc phục,… Từ đó, thiết kế được hệ thống tối ưu đáp ứng theo yêu cầu đặt ra.

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

1. Vũ Duy Lợi (2002), Mạng thông tin máy tính, Nhà xuất bản Thế giới, Hà Nội.

2. Đàm Thu Phương (2006), Tìm hiểu và viết phần mềm nhúng cho nút mạng không dây dạng Ad-hoc (Chủ đề: Tiết kiệm tiêu thụ năng lượng), Khóa luận tốt nghiệp, Trường Đại học Công nghệ, Hà Nội.

3. Vương Đạo Vy (2006), Mạng truyền số liệu, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia, Hà Nội.

4. Vương Đạo Vy, Trần Thanh Hải, Phạm Đình Tuân, Trần Anh Tuấn, Hà Quang Dự, Huỳnh Công Phi Khanh, Nguyễn Hồng Sơn (2005), “Mạng cảm nhận không dây thu thập dữ liệu môi trường sử dụng vi điều khiển Chipcon CC1010”, Tạp chí Khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội, XXI (2PT), tr. 92 - 99.

An overview about Wireless Sensor Networks

Master. Tran Thanh Vu

Master. Le Minh Ha

Eng. Tran Quoc Hung

Master. Nguyen Minh Hoa

Vietnam Institute for Trade and Industry Studying

ABSTRACT:

The development of Wireless Sensor Networks (WSN) was based on the application of microelectronics and information technology. Thanks to its outstanding feature of automation, the WSN have been widely used in many sectors including military, civil and industrial fields. The main applications of WSN are measuring environmental parameters and sending notifications, controlling industrial activities, controlling nuclear reaction, observing and monitoring military areas, etc. It is necessary to fully research the WSN to create more WSN-based applications.

Keywords: Wireless Sensor Networks, high technology.

[Tạp chí Công Thương - Các kết quả nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghệ, Số 14, tháng 6 năm 2021]