Tổng quan về mạng cảm biến không dây
Giới thiệu mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây là một hệ thống mạng không dây, trong đó các nút mạng được cấu thành từ vi điều khiển đã được cài đặt phần mềm nhúng, kết hợp với bộ phát sóng vô tuyến và các cảm biến Hệ thống này có khả năng thu thập và xử lý dữ liệu từ các nút mạng cũng như từ môi trường xung quanh chúng.
Các node cảm biến bao gồm các thành phần chính như bộ vi xử lý nhỏ gọn, bộ nhớ hạn chế, bộ thu phát không dây và nguồn cung cấp điện Kích thước của các cảm biến này thay đổi tùy theo ứng dụng cụ thể.
Với số lượng lớn các node mạng và khả năng triển khai ở nhiều địa điểm phức tạp, việc thay thế nguồn năng lượng cho từng node gần như không khả thi Do đó, quản lý năng lượng để kéo dài tuổi thọ của các cảm biến trở thành vấn đề quan trọng trong mạng cảm biến không dây, bao gồm việc lựa chọn phần cứng và phát triển chương trình nhúng cho các node.
Bởi vậy mà tùy theo các loại ứng dụng mà ta có thể lựa chọn các node mạng phù hợp
* Đặc điểm của mạng cảm biến không dây:
- Khả năng tự cấu hình, yêu cầu ít hoặc không có sự can thiệp của con người
- Truyền thông vô tuyến và truyền đa bước
- Triển khai với số lượng lớn trên phạm vi rộng
- Cấu hình mạng thường xuyên thay đổi do môi trường truyền hoặc node mạng lỗi
- Năng lượng, bộ nhớ, khả năng xử lý có hạn
Mạng cảm nhận không dây ngày càng trở nên phổ biến nhờ khả năng triển khai rộng rãi và tự cấu hình cho các mục đích giám sát và cảnh báo, như cảnh báo cháy rừng và lũ lụt, cũng như trong lĩnh vực quân sự Việc sử dụng kênh truyền vô tuyến giúp tiết kiệm chi phí đầu tư vào hạ tầng mạng, trong khi các thiết bị phần cứng có khả năng tích hợp cao và tiêu thụ ít năng lượng Những ứng dụng này mở rộng ra nhiều lĩnh vực, bao gồm quân sự, giám sát gia đình và cảnh báo.
Cấu trúc mạng cảm biến không dây
Các node cảm biến được phân bổ trong một trường cảm biến, có nhiệm vụ thu thập dữ liệu từ đối tượng trong khu vực triển khai Chúng thực hiện việc truyền và chuyển tiếp dữ liệu về node cơ sở (Base station, Sink).
Hình 1.1 Cấu trúc mạng cảm biến
Sink là một thực thể trong mạng cảm biến, nơi thông tin được yêu cầu Nó có thể là một node cảm biến trong mạng hoặc một gateway kết nối với mạng lớn hơn như Internet, nơi các yêu cầu thông tin từ các node cảm biến được thực hiện.
1.2.1 Đặc điểm của cấu trúc mạng cảm biến
Mạng cảm biến không dây được triển khai với nhiều node cảm biến trên diện rộng, tuy nhiên, các node này có giới hạn về khả năng lưu trữ và đặc biệt là vấn đề năng lượng Dưới đây là một số đặc điểm nổi bật trong cấu trúc của mạng cảm biến.
Khả năng chịu lỗi của mạng thể hiện qua việc duy trì hoạt động bình thường và các chức năng của nó, ngay cả khi một số node không hoạt động do thiếu năng lượng, hư hỏng vật lý hoặc tác động từ môi trường.
Khả năng mở rộng của mạng cảm biến là rất quan trọng, vì số lượng node cảm biến được triển khai phụ thuộc vào các ứng dụng cụ thể Mạng cần phải có khả năng mở rộng để xử lý hiệu quả với số lượng lớn các node cảm biến.
Môi trường triển khai của các node cảm biến rất đa dạng, từ việc lắp đặt dày đặc gần các hiện tượng tự nhiên đến việc hoạt động trong các khu vực khó tiếp cận như dưới đáy biển hoặc trong môi trường ô nhiễm Chúng có khả năng làm việc trong các máy móc lớn, tại các gia đình hoặc các tòa nhà lớn Việc thiết kế các node cảm biến phụ thuộc vào từng môi trường cụ thể để đảm bảo hiệu quả quan sát và thu thập dữ liệu.
Trong các mạng cảm biến multihop, các node được kết nối qua các phương tiện không dây như sóng vô tuyến, hồng ngoại hoặc quang học Việc lựa chọn phương tiện truyền dẫn phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo sự hoạt động thống nhất và hiệu quả của mạng.
Chi phí sản xuất mạng cảm biến rất quan trọng, vì nó bao gồm nhiều node cảm biến Để điều chỉnh tổng chi phí của toàn mạng, chi phí của mỗi node cần phải được giữ ở mức thấp.
Các node cảm biến trong mạng cần đáp ứng các ràng buộc phần cứng quan trọng như kích thước nhỏ, tiêu thụ năng lượng thấp, khả năng hoạt động hiệu quả tại các khu vực có mật độ cao, chi phí sản xuất hợp lý, khả năng tự trị mà không cần giám sát, và khả năng thích nghi với môi trường xung quanh.
Trong mạng cảm biến, hàng trăm đến hàng nghìn node được triển khai với mật độ lên tới 20 node/m3, đòi hỏi một topo mạng ổn định Để duy trì và thay đổi cấu hình mạng hiệu quả, cần kiểm tra các vấn đề liên quan qua ba pha khác nhau.
Triển khai các node cảm biến có thể thực hiện theo nhiều cách, bao gồm việc thả từ máy bay hoặc tên lửa, hoặc đặt từng node một cách thủ công Các node này có thể được sắp xếp một cách lộn xộn hoặc theo trật tự trên trường cảm biến, tùy thuộc vào yêu cầu của nhiệm vụ.
Sau khi triển khai, những thay đổi cấu hình sẽ phụ thuộc vào vị trí của các node cảm biến và khả năng duy trì kết nối Các yếu tố như nhiễu và sự di chuyển của vật cản có thể ảnh hưởng đến trạng thái kết nối của hệ thống.
Sau khi hoàn tất việc cấu hình, người dùng có thể dễ dàng thêm các node cảm biến mới để thay thế những node gặp sự cố hoặc điều chỉnh theo sự thay đổi về chức năng.
Sự tiêu thụ điện năng của các node cảm biến không dây, được coi là thiết bị vi điện tử với nguồn năng lượng hạn chế (