Công nghệ mạng cảm biến Sensor

Vntelecom-Wireless Senor Network Evolution ( Sự phát triển cùa mạng cảm biến)

Khái niệm Wireless Sensor Network (WSN) tương đối còn lạ lẫm đối với nhiều người làm việc trong lãnh vực Telecom. Bài viết này được sử dụng để giới thiệu tổng quan về hệ thống WSN và những ứng dụng của WSN (trong quân sự, công nghiệp và cuộc sống hằng ngày)

     Giới thiệu

Mạng cảm biến vô tuyến (WSN) có thể hiểu đơn giản là mạng liên kết các node với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến (RF connection) trong đó các node mạng thường là các (thiết bị) đơn giản , nhỏ gọn, giá thành thấp ... và có số lượng lớn, được phân bố một cách không có hệ thống (non-topology) trên một diện tích rộng (phạm vi hoạt động rộng), sử dụng nguồn năng lượng hạn chế (pin), có thời gian hoạt động lâu dài (vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ ...).

Các node mạng thường có chức năng sensing (sensor node): 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 node giao tiếp ad-hoc với nhau và truyền dữ liệu về trung tâm (base station) một cách gián tiếp bằng kỹ thuật multi-hop.

Lưu lượng (traffic) dữ liệu lưu thông trong WSN là thấp và ko liên tục (không hẳn với tracking và localization aplication). Do vậy để tiết kiệm năng lượng, các sensor node thường có nhiều trạng thái hoạt động (active mode) và trạng thái nghỉ (sleep mode) khác nhau. Thông thường thời gian 1 node ở trạng thái nghỉ lớn hơn ở trạng thái hoạt động rất nhiều.

Như vậy, đặc trưng cơ bản nhất để phân biệt 1 mạng cảm biến và 1 mạng wireless khác chính là giá thành, mật độ node mạng, phạm vi hoạt động, cấu hình mạng (topology), lưu lượng dữ liệu, năng lượng tiêu thụ và thời gian ở trạng thái hoạt động (active mode).

    Đặc trưng và cấu hình mạng cảm biến 

1 node trong mạng WSN thông thường bao gồm 2 phần: phần cảm biến (sensor) hoặc điều khiển và phần giao tiếp vô tuyến (RF transceiver). Do số lượng node trong WSN là lớn và không cần các hoạt động bảo trì, nên yêu cầu thông thường đối với 1 node mạng là giá thành thấp (10 - 50 usd) và kích thước nhỏ gọn ( diện tích bề mặt vài đến vài chục cm2).

Do giới hạn về nguồn năng lượng cung cấp (pin...), giá thành và yêu cầu hoạt động trong một thời gian dài, nên vấn đề tiêu thụ năng lượng là tiêu chí thiết kế quan trọng nhất trong mạng cảm biến:

- Lớp vật lý (physical layer) tương đối đơn giản, gọn nhẹ do ràng buộc về kích thước và khả năng tính toán của node. Kỹ thuật điều chế tín hiệu số : O-QPSK, FSK cải thiện hiệu suất bộ khuếch đại công suất. Các kỹ thuật mã hóa sữa sai phức tạp như Turbo Codes, LDPC không được sử dụng, kỹ thuật trãi phổ được sử dụng để cải thiện SNR ở thiết bị thu và giảm tác động của fading của kênh truyền...
- Lớp MAC: kỹ thuật đa truy cập TDMA hoặc CSMA-CA hiệu chỉnh với mục đích giảm năng lượng tiêu thụ.
- Routing layer: "power aware" Routing Protocol, geography routing ...

WSN thường được triển khai trên một phạm vi rộng, số lượng node mạng lớn và được phân bố một cách tương đối ngẫu nhiên, các node mạng có thể di chuyển làm thay đổi sơ đồ mạng... do vậy WSN đò hỏi 1 sơ đồ mạng (topology) linh động (ad-hoc, mesh, star ...) và các node mạng có khả năng tự điều chỉnh, tự cấu hình (auto-reconfigurable).

Trong một số WSN thông dụng (giám sát, cảm biến, môi trường ...) địa chỉ ID các node chính là vị trí địa lý và giải thuật routing dựa vào vị trí địa lý này gọi là Geography routing protocol (GRT). Đối với mạng với số lượng lớn các node, sơ đồ mạng không ổn định ... GRT giúp đơn giản hóa giải thuật tìm đường, giảm dữ liệu bảng routing (routing table) lưu trữ tại các node. GRT phù hợp với các WSN cố định, tuy nhiên đối với các node di động (địa chỉ ID node thay đổi) giao thức routing trở nên phức tạp và không ổn định.

Cluster hoá: phân chia mạng diện rộng (hàng trăm, hàng ngàn node) thành các clusters để ổn định topology của mạng, đơn giản hóa giải thuật routing, giảm đụng độ (collission) khi truy cập vào kênh truyền (medium acess) nên giảm được năng lượng tiêu thụ , đơn giản hóa việc quản lý mạng và cấp phát địa chỉ cho từng node mạng (theo cluster).

Do giới hạn khả năng tính toán của từng node mạng cũng như để tiết kiệm năng lượng, WSN thường sử dụng các phương pháp tính toán và xử lý tín hiệu phi tập trung (giảm tải cho node gần hết năng lượng) hoặc gửi dữ liệu cần tính toán cho các base station (có khả năng xử lý tín hiệu mạnh và ít ràng buộc về tiêu thụ năng lượng).
...

     Môt số chuẩn mạng cảm biến

Do phạm vi ứng dụng cua WSN rất rộng lớn, tính chất, đặc trưng của mạng phụ thuộc vào ứng dụng triển khai cụ thể. Do vậy, các công ty, các phòng thí nghiệm vẫn thường phát triển, triển khai giao thức riêng (MAC, Routing, synchronisation ...) phù hợp cho từng ứng dụng cụ thể dựa trên các thiết bị phần cứng (transceiver chip) trên thị trường. Một số chuẩn WSN được biết đến:

ALOHA system (U. of Hawaii)
PRNET system (U.S. Defense)
WINS (U. of California)
PicoRadio (U. of California)
MicroAMPS (M.I.T)
MANET (Mobile ad-hoc Network)
Zigbee: dựa trên physical layer và MAC layer của chuẩn WPAN 802.15.4
...

    Ứng dụng của mạng cảm biến

WSN được ứng dụng đầu tiên trong các lĩnh vực quân sự. Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp điều khiển tự động, robotic, thiết bị thông minh, môi trường, y tế ... WSN ngày càng được sử dụng nhiều trong hoạt động công nhiệp và dân dụng. Một số ứng dụng cơ bản của WSN:

- Cảm biến môi trường (quân sự: phát hiện mìn, chất độc, dịch chuyển quân địch ... công nghiệp: hệ thống chiếu sáng, độ ẩm, phònh cháy, chống rò rỉ ... dân dụng: hệ thống điều hòa nhiệt độ, chiếu sáng ... )
- Điều khiển (quân sự: kích hoạt thiết bị, vũ khí quân sự ... công nghiệp: điều khiển tự động các thiết bị, robot ... )
- Theo dõi, giám sát, định vị (quân sự: định vị, theo dõi sự dịch chuyển thiết bị, quân đội ... )
- Môi trường (giám sát lũ lụt, bão, gió, mưa ... phát hiện ô nhiễm, chất thải ...)
- Y tế (định vị, theo dõi bệnh nhân, hệ thống báo động khẩn cấp ...)
- Hệ thống giao thông thông minh: giao tiếp giữa biển báo và phương tiện giao thông, hệ thống điều tiết lưu thông công cộng, hệ thống báo hiệu tai nạn, kẹt xe ... hệ thống định vị phương, trợ giúp điều khiển tự động phương tiện tiện giao thông... 
- Gia đình (nhà thônh minh: hệ thống cảm biến, giao tiếp và điều khiển các thiết bị thông minh ...)
... 

WSN tạo ra môi trường giao tiếp giữa các thiết bị thông minh, giữa các thiết bị thông minh và con người và giao tiếp giữa các thiết bị thông minh và các hệ thống viễn thông khác (hệ thống thông tin di động, internet ... )