III. Kiến trúc giao thức mạng.

Hình 1.9 Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến.

Kiến trúc giao thức này kết hợp giữa công suất và chọn đường, kết hợp số

liệu với các giao thức mạng, sử dụng công suất hiệu quả với môi trường vô tuyến

và sự tương tác giữa các nút cảm biến. Kiến trúc giao thức bao gồm lớp vật lý,

lớp liên kết dữ 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 ứng dụng :Tùy vào từng nhiệm vụ của mạng cảm biến mà các phần mềm

ứng dụng khác nhau được xây dựng và sử dụng trong lớp ứng dụng.Trong lớp

ứng dụng có mốt số giao thức quan trọng như giao thúc quản lí mạng sensor

(SMP), giao thức quảng bá dữ liệu và chỉ định nhiệm vụ cho từng sensor

(TADAP),giao thức phân phối dữ liệu và truy vấn cảm biến (SQDDP).

-Lớp vận chuyển: Lớp truyền tải giúp duy trì luồng số liệu nếu ứng dụng mạng

cảm biến yêu cầu.Lớp truyền tải đặc biệt cần khi mạng cảm biến kết nối với

mạng bên ngoài, hay kết nối với người dùng qua internet. Giao thức lớp vận

chuyển giữa sink với người dùng (nút quản lý nhiệm vụ) thì có thể là giao thức

UDP hay TCP thông qua internet hoặc vệ tinh. Còn giao tiếp giữa sink và các

nút cảm biến cần các giao thức kiểu như UDP vì các nút cảm biến bị hạn chế

về bộ nhớ. Hơn nữa các giao thức này còn phải tính đến sự tiêu thụ công suất,

tính mở rông và định tuyến tập trung dữ liệu .

18



- Lớp mạng: Lớp mạng quan tâm đến việc định tuyến dữ liệu được cung cấp bởi

lớp truyền tải.Việc định tuyến trong mạng



cảm biến phải đối mặt với rất



nhiều thách thức như mật độ các nút dày đặc, hạn chế về năng lượng…Do vậy

thiết kế lớp mạng trong mạng cảm biến phải theo các nguyên tắc sau:

• Tính hiệu quả về năng lượng luôn được xem là vấn đề quan trọng hàng

đầu.

• Các mạng cảm biến gần như là tập trung dữ liệu

• Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng.

• Phải có cơ chế địa chỉ theo thuộc tính và biết về vị trí

Có rất nhiều giao thức định tuyến được thiết kế cho mạng cảm biến không

dây. Nhìn tổng quan, chúng được chia thành ba loại dựa vào cấu trúc mạng, đó là

định tuyến ngang hàng, định tuyến phân cấp, định tuyến dựa theo vị trí. Xet theo

hoạt động thì chúng được chia thành định tuyến dựa trên đa đường (multipathbased), định tuyến theo truy vấn (query- based), định tuyến negotiation-based,

định tuyến theo chất lượng dịch vụ (QoS-based), định tuyến kết hợp (coherentbased).

-Lớp kết nối dữ liệu:Lớp kết nối dữ liệu chịu trách nhiệm cho việc ghép các

luồng dữ liệu, dò khung dữ liệu, điều khiển lỗi và truy nhập môi trường. Nó đảm

bảo cho giao tiếp điểm -điểm, điểm-đa điểm tin cậy.Vì môi trường có tạp âm và

các nút cảm biến có thể di động, giao thức điều khiển truy nhập môi trường

(MAC) phải xét đến vấn đề công suất và phải có khả năng tối thiểu hoá việc va

chạm với thông tin quảng bá của các nút lân cận.

-Lớp vật lý: Lớp vật lý chịu trách nhiệm lựa chọn tần số, phát tần số sóng mang,

điều chế, lập mã và tách sóng.

Ngoài ra, các phần quản lý công suất, quản lý di chuyển và quản lý nhiệm vụ

sẽ giám sát việc sử dụng công suất, sự di chuyển và thực hiện nhiệm vụ giữa các



19



nút cảm biến. Những phần này giúp các nút cảm biến phối hợp nhiệm vụ cảm

biến và tiêu thụ công suất tổng thể thấp hơn.

-Phần quản lý công suất điều khiển việc sử dụng công suất của nút cảm biến. Ví

dụ, nút cảm biến có thể tắt khối thu của nó sau khi thu được một bản tin từ một

nút lân cận. Điều này giúp tránh tạo ra các bản tin giống nhau. Cũng vậy, khi

mức công suất của nút cảm biến thấp, nút cảm biến phát quảng bá tới các nút lân

cận để thông báo nó có mức công suất thấp và không thể tham gia vào các bản tin

chọn đường. Công suất còn lại sẽ được dành riêng cho nhiệm vụ cảm biến.

- Phần quản lý di động phát hiện và ghi lại sự di chuyển của các nút cảm biến để

duy trì tuyến tới người sử dụng và các nút cảm biến có thể lưu vết của các nút

cảm biến lân cận. Nhờ xác định được các nút cảm biến lân cận, các nút cảm biến

có thể cân bằng giữa công suất của nó 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 biến trong

vùng đó điều phải thực hiện nhiệm vụ cảm biến tại cùng một thời điểm. Kết quả

là một số nút cảm biến thực hiện nhiệm vụ nhiều hơn các nút khác tuỳ theo mức

công suất của nó.

Những phần quản lý này là cần thết để các nút cảm biến có thể làm việc cùng

nhau theo một cách thức sử dụng hiệu quả công suất, chọn đường số liệu trong

mạng cảm biến di động và phân chia tài nguyên giữa các nút cảm biến.

Ngoài ra, còn có các giao thức đặc trưng hỗ trợ cho mạng WSN: giao thức

định vị (Location protocol), giao thức đồng bộ thời gian (Time synchronization

protocol), giao thức điều khiển cấu hình mạng (topology control).Trong nhiều

trường hợp việc xác định vị trí trong thế giới tự nhiên của các nút cảm biến là

rất cần thiết. Ví dụ các ứng dụng kiểm tra và phát hiện sự kiện sảy ra ở đâu, nếu

không có thông tin vị trí thì không thể báo cáo chính xác. Vấn đề thời gian rất

quan trọng trong nhiều ứng dụng và giao thức trong mạng cảm ứng.Giao thức

20



đồng bộ thời gian đảm bảo cho mạng hoạt động đồng bộ, giảm các sai lệch về

thời gian, hoạt động hiệu quả và báo cáo kết quả chính xác về thời gian.Còn việc

điều khiển cấu hình mạng cũng rất quan trọng. Như đã trình bày trong các phần

trên, mạng WSN có thể triển khai ngẫu nhiên, mật độ các nút rất dày dặc nếu

không có cơ chế điều khiển topo tốt các nút sẽ cản trở nhau trong việc giao tiếp,

giao tiếp trực tiếp giữa các nút sẽ làm giảm công suất truyền dẫn.Hơn nữa, khi

các nút cảm biến mà di chuyển thì cần phải điều khiển lại cấu hình và định tuyến

lại.

IV. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây.

Mạng cảm ứng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau của

cuộc sống:

*Các ứng dụng về môi trường:

Các mạng cảm biến không dây được dùng để theo dõi sự chuyển động của

chim muông, động vật, côn trùng; theo dõi các điều kiện môi trường như nhiệt

độ, độ ẩm; theo dõi và cảnh báo sớm các hiện tượng thiên tai như động đất,núi

lửa phun trào, cháy rừng, lũ lụt…. Một số ứng dụng quan trọng như:

•



Phát hiện sớm những thảm họa như cháy rừng:



Bằng việc phân tán các nút cảm ứng trong rừng, một mạng ad hoc được tạo nên

một cách tự phát. Mỗi nút cảm ứng có thê thu thập nhiều thông tin khác nhau liên

quan đến cháy như nhiệt độ, khói …Các dữ liệu thu thập được truyền multihop

tới nơi trung tâm điều khiển để giám sát, phân tích, phát hiện và cảnh báo cháy

sớm. Ngay sau khi sự kiên liên quan đến cháy được phát hiện, trung tâm điều

khiển sẽ đưa ra cảnh báo sớm. Điều này sẽ giúp phát hiện sớm và ngăn chặn được

thảm họa cháy rừng.



21



Hình 1.10 Mạng WSN cảnh báo cháy rừng



•



Cảnh báo lũ lụt: Hệ thông này bao gồm các nút cảm biến về lượng



mưa, mực nước.Các cảm biến này cung cấp thông tin cho hệ thống cơ sở dữ

liệu trung tâm để phân tích và cảnh báo lụt sớm.

•



Giám sát và cảnh báo các hiện tượng địa trấn: Các cảm biến về độ



rung … được đặt rải rác ở mặt đất hay trong lòng đất những khu vực

hay sảy ra động đất, hay gần các núi lửa để giám sát và cảnh báo sớm hiện

tượng động đất và núi lửa phun trào.



Hình 1.11 Cảnh báo và đo thông số động đất



* Các ứng dụng trong y học:

Giám sát trong y tế và chẩn đoán từ xa: Trong tương lai, các nút cảm ứng có

thể được gắn vào cơ thể, ví dụ như ở dưới da và đo các thông số của máu để phát



22