Luận Văn Mạng cảm biến không dây

Sự phát triển của Internet, truyền thông và công nghệ thông tin kết hợp với những tiến bộ kỹ thuật gần đây đã tạo điều kiện cho các thế hệ cảm biến mới với giá thành thấp, khả năng triển khai qui mô lớn với độ chính xác cao. Công nghệ điều khiển và cảm biến gồm cảm biến dãy, cảm biến trường điện từ, cảm biến tần số vô tuyến, cảm biến quang điện và hồng ngoại, laser radar và cảm biến định vị dẫn đường, Các tiến bộ trong lĩnh vực thiết kế cảm biến, vật liệu cho phép giảm kích thước, trọng lượng và chi phí sản xuất cảm biến đồng thời tăng khả năng hoạt động và độ chính xác. Trong tương lai gần, mạng cảm biến không dây sẽ có thể tích hợp hàng triệu cảm biến vào hệ thống để cải thiện chất lượng và thời gian sống.
Công nghệ điều khiển và cảm biến có tiềm năng lớn, không chỉ trong khoa học và nghiên cứu, mà quan trọng hơn chúng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng liên quan đến bảo vệ các công trình trọng yếu, chăm sóc sức khỏe, bảo vệ môi trường, năng lượng, an toàn thực phẩm, sản xuất, nâng cao chất lượng cuộc sống và kinh tế Với mục tiêu giảm giá thành và tăng hiệu quả trong công nghiệp và thương mại, mạng cảm biến không dây sẽ mang đến sự tiện nghi và các ứng dụng thiết thực nâng cao chất lượng cuộc sống cho con người.
Trong nội dung tài liệu này, trình bày về các kỹ thuật xây dựng mạng cảm biến không dây, các giao thức để thiết kế từ đơn giản đến phức tạp. Bên cạnh đó là các ứng dụng phổ biến có nhiều tiềm năng ứng dụng trong thực tế. Một cái nhìn tổng quát về công nghệ mạng cảm biến không dây.

MỤC LỤC
Lời nói đầu 6
Các từ viết tắt dùng trong tài liệu 7

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
1.1 Giới thiệu 9
1.1.1 Công nghệ Sensor Network 9
1.1.2 Ứng dụng của mạng cảm biến . 11
1.2 Tổng quan về kỹ thuật WSNs . 12
1.2.1 Các thành phần cơ bản cấu trúc mạng cảm biến . 12
1.2.2 Quá trình phát triển mạng cảm biến . 16
1.2.3 Các thách thức và trở ngại 17

Chương 2: ỨNG DỤNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
2.1 Các mô hình phân bố 18
2.2 Các ứng dụng của mạng WSNs . 20
2.3 Các ví dụ về ứng dụng dạng 1 WSN (C1WSN) . 21
2.3.1 Ứng dụng quân sự, an ninh và thiên nhiên . 21
2.3.2 Ứng dụng trong giám sát xe cộ và thông tin liên quan . 23
2.4 Các ví dụ về ứng dụng dạng 2 WSN (C2WSN) . 23
2.4.1 Điều khiển các thiết bị trong nhà 25
2.4.2 Các tòa nhà tự động 25
2.4.3 Quản lý quá trình tự động trong công nghiệp . 26
2.4.4 Các ứng dụng trong y học . 27
2.5 Kết luận 27

Chương 3: KỸ THUẬT CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
3.1 Khái quát về NODE cảm biến . 28
3.2 Phần cứng và phần mềm . 29
3.3 Phân loại cảm biến 30
3.4 Môi trường hoạt động của sensor node (WNs) 31
3.5 Xu hướng phát triển của Node cảm biến . 32

Chương 4: KỸ THUẬT TRUYỀN DẪN KHÔNG DÂY
4.1 Quá trình truyền sóng . 33
4.2 điều chế tín hiệu 35
4.3 Các công nghệ không dây . 36
4.3.1 Bluetooth 37
4.3.2 WLAN 37
4.3.3 ZigBee . 40
4.4Kết luận . 41

Chương 5: GIAO THỨC đIỀU KHIỂN TRUY CẬP TRONG MẠNG WIRELESS SENSOR NETWORKS
5.1 Mô hình giao thức cho WSNs . 42
5.2 Giao thức MAC . 43
5.2.1 Các thông số . 44
5.2.2 Các giao thức chung 46
5.3 Các giao thức MAC cho mạng WSNs . 54
5.3.1 Schedule-Based Protocols . 55
5.3.2 Random Access-Based Protocols . 58
5.4 Nghiên cứu trường hợp SENSOR-MAC . 59
5.4.1 Tổng quát . 59
5.4.2 Lắng nghe và nghỉ theo chu kỳ (Listen and Sleep) 60
5.4.3 Sự phối hợp và lựa chọn lịch làm việc 60
5.4.4 Đồng bộ khung thời gian 61
5.4.5 Lắng nghe thích ứng 62
5.4.6 Điều khiển truy cập và trao đổi dữ liệu 62
5.4.7 Chuyển thông điệp . 63
5.5 Chuẩn IEEE 802.15.4 LR-WPANs . 64
5.5.1 Lớp vật lý (PHY) 66
5.5.2 Lớp MAC . 68
5.6 Kết luận 80

Chương 6: CÁC GIAO THỨC đỊNH TUYẾN CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
6.1 Sự phân phối và tập hợp dữ liệu . 81
6.2 Thiết kế và thách thức trong kỹ thuật định tuyến WSN 82
6.2.1 Kích thước mạng và đặc tính thay đổi theo thời gian 82
6.2.2 Tài nguyên hạn chế . 83
6.3 Giao thức định tuyến trong WSNs 83
6.3.1 Các kỹ thuật định tuyến . 84
6.3.2 Flooding và các biến thể . 84
6.3.3 Giao thức định tuyến thông tin qua sự thỏa thuận 87
6.3.4 Phân nhóm phân bậc tương thích, năng lượng thấp (LEACH) . 90
6.3.5 Tập trung hiệu quả công suất trong hệ thống thông tin cảm biến . 93
6.3.6 Truyền tin trực tiếp . 94
6.3.7 định tuyến theo vị trí 97
6.4 Kết luận 101

Chương 7: CÁC GIAO THỨC đIỀU KHIỂN GIAO VẬN CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
7.1 Các giao thức điều khiển giao vận truyền thống 102
7.1.1 TCP (RFC 793) 102
7.1.2 UDP (RFC 768) 103
7.1.3 Mobile IP 103
7.1.4 Tính khả thi khi áp dụng TCP và UDP cho mạng WSN . 103
7.2 Thiết kế giao thức lớp giao vận . 103
7.3 Các giao thức điều khiển giao vận đang tồn tại . 105
7.4 đặc điểm của các giao thức điều khiển giao vận 105
7.4.1 Sự tắc nghẽn . 105
7.4.2 Khôi phục gói bị mất 106
7.5 Kết luận 107

Chương 8: PHẦN MỀM CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
8.1 Nguyên lý thiết kế phần mềm cho WSN . 108
8.2 Kiến trúc phần mềm 109
8.2.1 Các chức năng liên quan đến dữ liệu . 109
8.2.2 Kiến trúc . 110
8.3 Một số phần mềm đang sử dụng . 110

Chương 9: QUẢN LÝ MẠNG CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
9.1 Yêu cầu quản lý mạng . 112
9.2 Các kiểu quản lý mạng truyền thống . 112
9.3 Vấn đề thiết kế quản lý mạng 113
9.4 Các vấn đề khác 113

Chương 10: HỆ đIỀU HÀNH CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
10.1 Thiết kế hệ điều hành 115
10.2 Một số hệ điều hành cho mạng WSN 116
10.2.1 TinyOS . 116
10.2.2 Mate . 116
10.2.3 MagnetOS . 117
10.2.4 MANTIS . 117

Chương 11: QUẢN LÝ SỰ VẬN HÀNH VÀ LƯU LƯỢNG THÔNG TIN
11.1 Vấn đề thiết kế WSN 118
11.1.1 Giao thức MAC 118
11.1.2 Giao thức định tuyến 119
11.1.3 Giao thức chuyển vận . 119
11.2 Mô hình hóa sự vận hành của WSN . 119
11.2.1 Metric . 119
11.2.2 Các mô hình cơ bản 120
11.2.3 Các mô hình mạng 123
11.3 Tính toán thời gian sống của hệ thống 124
11.3.1 Phân tích . 126
11.3.2 Thảo luận . 127
11.3.2 Tổng kết . 129
Tài liệu tham khảo 130MỤC LỤC
Lời nói đầu 6
Các từ viết tắt dùng trong tài liệu 7

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
1.1 Giới thiệu 9
1.1.1 Công nghệ Sensor Network 9
1.1.2 Ứng dụng của mạng cảm biến . 11
1.2 Tổng quan về kỹ thuật WSNs . 12
1.2.1 Các thành phần cơ bản cấu trúc mạng cảm biến . 12
1.2.2 Quá trình phát triển mạng cảm biến . 16
1.2.3 Các thách thức và trở ngại 17

Chương 2: ỨNG DỤNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
2.1 Các mô hình phân bố 18
2.2 Các ứng dụng của mạng WSNs . 20
2.3 Các ví dụ về ứng dụng dạng 1 WSN (C1WSN) . 21
2.3.1 Ứng dụng quân sự, an ninh và thiên nhiên . 21
2.3.2 Ứng dụng trong giám sát xe cộ và thông tin liên quan . 23
2.4 Các ví dụ về ứng dụng dạng 2 WSN (C2WSN) . 23
2.4.1 Điều khiển các thiết bị trong nhà 25
2.4.2 Các tòa nhà tự động 25
2.4.3 Quản lý quá trình tự động trong công nghiệp . 26
2.4.4 Các ứng dụng trong y học . 27
2.5 Kết luận 27

Chương 3: KỸ THUẬT CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
3.1 Khái quát về NODE cảm biến . 28
3.2 Phần cứng và phần mềm . 29
3.3 Phân loại cảm biến 30
3.4 Môi trường hoạt động của sensor node (WNs) 31
3.5 Xu hướng phát triển của Node cảm biến . 32

Chương 4: KỸ THUẬT TRUYỀN DẪN KHÔNG DÂY
4.1 Quá trình truyền sóng . 33
4.2 điều chế tín hiệu 35
4.3 Các công nghệ không dây . 36
4.3.1 Bluetooth 37
4.3.2 WLAN 37
4.3.3 ZigBee . 40
4.4Kết luận . 41

Chương 5: GIAO THỨC đIỀU KHIỂN TRUY CẬP TRONG MẠNG WIRELESS SENSOR NETWORKS
5.1 Mô hình giao thức cho WSNs . 42
5.2 Giao thức MAC . 43
5.2.1 Các thông số . 44
5.2.2 Các giao thức chung 46
5.3 Các giao thức MAC cho mạng WSNs . 54
5.3.1 Schedule-Based Protocols . 55
5.3.2 Random Access-Based Protocols . 58
5.4 Nghiên cứu trường hợp SENSOR-MAC . 59
5.4.1 Tổng quát . 59
5.4.2 Lắng nghe và nghỉ theo chu kỳ (Listen and Sleep) 60
5.4.3 Sự phối hợp và lựa chọn lịch làm việc 60
5.4.4 Đồng bộ khung thời gian 61
5.4.5 Lắng nghe thích ứng 62
5.4.6 Điều khiển truy cập và trao đổi dữ liệu 62
5.4.7 Chuyển thông điệp . 63
5.5 Chuẩn IEEE 802.15.4 LR-WPANs . 64
5.5.1 Lớp vật lý (PHY) 66
5.5.2 Lớp MAC . 68
5.6 Kết luận 80

Chương 6: CÁC GIAO THỨC đỊNH TUYẾN CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
6.1 Sự phân phối và tập hợp dữ liệu . 81
6.2 Thiết kế và thách thức trong kỹ thuật định tuyến WSN 82
6.2.1 Kích thước mạng và đặc tính thay đổi theo thời gian 82
6.2.2 Tài nguyên hạn chế . 83
6.3 Giao thức định tuyến trong WSNs 83
6.3.1 Các kỹ thuật định tuyến . 84
6.3.2 Flooding và các biến thể . 84
6.3.3 Giao thức định tuyến thông tin qua sự thỏa thuận 87
6.3.4 Phân nhóm phân bậc tương thích, năng lượng thấp (LEACH) . 90
6.3.5 Tập trung hiệu quả công suất trong hệ thống thông tin cảm biến . 93
6.3.6 Truyền tin trực tiếp . 94
6.3.7 định tuyến theo vị trí 97
6.4 Kết luận 101

Chương 7: CÁC GIAO THỨC đIỀU KHIỂN GIAO VẬN CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
7.1 Các giao thức điều khiển giao vận truyền thống 102
7.1.1 TCP (RFC 793) 102
7.1.2 UDP (RFC 768) 103
7.1.3 Mobile IP 103
7.1.4 Tính khả thi khi áp dụng TCP và UDP cho mạng WSN . 103
7.2 Thiết kế giao thức lớp giao vận . 103
7.3 Các giao thức điều khiển giao vận đang tồn tại . 105
7.4 đặc điểm của các giao thức điều khiển giao vận 105
7.4.1 Sự tắc nghẽn . 105
7.4.2 Khôi phục gói bị mất 106
7.5 Kết luận 107

Chương 8: PHẦN MỀM CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
8.1 Nguyên lý thiết kế phần mềm cho WSN . 108
8.2 Kiến trúc phần mềm 109
8.2.1 Các chức năng liên quan đến dữ liệu . 109
8.2.2 Kiến trúc . 110
8.3 Một số phần mềm đang sử dụng . 110

Chương 9: QUẢN LÝ MẠNG CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
9.1 Yêu cầu quản lý mạng . 112
9.2 Các kiểu quản lý mạng truyền thống . 112
9.3 Vấn đề thiết kế quản lý mạng 113
9.4 Các vấn đề khác 113

Chương 10: HỆ đIỀU HÀNH CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
10.1 Thiết kế hệ điều hành 115
10.2 Một số hệ điều hành cho mạng WSN 116
10.2.1 TinyOS . 116
10.2.2 Mate . 116
10.2.3 MagnetOS . 117
10.2.4 MANTIS . 117

Chương 11: QUẢN LÝ SỰ VẬN HÀNH VÀ LƯU LƯỢNG THÔNG TIN
11.1 Vấn đề thiết kế WSN 118
11.1.1 Giao thức MAC 118
11.1.2 Giao thức định tuyến 119
11.1.3 Giao thức chuyển vận . 119
11.2 Mô hình hóa sự vận hành của WSN . 119
11.2.1 Metric . 119
11.2.2 Các mô hình cơ bản 120
11.2.3 Các mô hình mạng 123
11.3 Tính toán thời gian sống của hệ thống 124
11.3.1 Phân tích . 126
11.3.2 Thảo luận . 127
11.3.2 Tổng kết . 129
Tài liệu tham khảo 130