Đề tài tốt nghiệp

Xây dựng ứng dụng của
mạng cảm nhận không
dây

2NỘI DUNG LUẬN VĂN
Trên thế giới, mạng không dây phát triển mạnh và được chuẩn hoá thành
các loại khác nhau. Về bản chất chúng đều là mạng truyền thông không dây,
nhưng cấu hình, quy mô, mục đích sử dụng khác nhau nên chúng có những
điểm giống nhau và những điểm khác nhau. Trong số các mạng không dây,
mạng cảm nhận không dây ra đời trên cơ sở ứng dụng những thành tựu cao
của công nghệ chế tạo linh kiện điện tử và sự chín mu
ồi trong việc hiểu biết
và làm chủ kiến thức phần mềm hệ điều hành mạng. Mỗi nút mạng trong
mạng cảm nhận không dây được xem như những hạt bụi (motes) vì kích thước
của chúng rất bé, tiêu thụ năng lượng rất ít nhưng chính chúng có thể đảm
đương chức năng nút mạng, và hơn thế, chúng còn có chức năng đo các thông
số môi trường (chức năng cảm nhận) nơ
i chúng có mặt. Lợi ích mà mạng cảm
nhận không dây đem lại là to lớn, trên thế giới đang hình thành những trào
lưu nghiên cứu, chuẩn hoá, phát triển và khai thác các ứng dụng rất đa dạng
của nó.
Trong lĩnh vực đo lường điều khiển tự động từ xa, việc ứng dụng công
nghệ mạng cảm nhận không dây để thu nhận dữ liệu, và điều khiển, tìm được
r
ất nhiều ứng dụng. Ví như đo các thông số môi trường cho nuôi trồng thuỷ
sn, dự báo cháy rừng, dự báo lũ trên các sông, theo dõi sức khỏe….
Với các nhận thức trên cùng với sự khuyến khích động viên, hướng dẫn
của Thầy giáo hướng dẫn và mong muốn được tìm hiểu, thử nghiệm ứng dụng
công nghệ mạng không dây em đã chọn đề tài “Xây dựng ứng dụng của mạng

4

CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU VỀ MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY
1. Giới thiệu về mạng cảm nhận không dây
1.1. Định nghĩa về mạng cảm nhận không dây
Mạng cảm nhận không dây (Wireless Sensor Network - WSN) là một
mạng không dây mà các nút của nó sử dụng các vi điều khiển, cảm biến, Bộ
truyền tín hiệu sóng Radio,… với kích thước rất nhỏ, tiêu thụ năng lượng ít,
tự tổ chức, giá thành thấp dùng để đo các dữ liệu và truyền thông không dây
giữa các nút trong mạng.

Hình 1.1: một mô hình của mạng cảm nhận không dây
1.2. Yêu cầu của WSN
1.2.1. Khả năng tự cấu hình
- Ưu điểm mấu chốt của WSN đó là tính dễ triển khai, để triển khai
thành công , thì khi đưa ra sử dụng các nút mạng phải có chức năng tự cấu
hình . Các nút khi được đặt vào môi trường và có thể hoạt động ngay. Một
vài nút vì một số lí do không hoạt động , để mạng tiếp tục hoạ
t động nó phải
có khả năng tự cấu hình lại, Nghĩa là phải phát hiện ra các nút bị hỏng hoặc

từ môi trường hoạt động của mạng ( VD: Dùng năng lượng mặt trời, năng
lượng được tạo ra từ nhiệt … ).
- Việc sử dụng các phần mềm nhúng với các thuật toán nhằm tiết kiệm
năng lượng cũng có thể là một giải pháp hữu hiệu đối với việc tiết kiệm năng
lượng. 1.2.3. Giá thành thấp
6
Do quy mô của mạng cảm nhận không dây la rất rộng do vậy chi phí
cho mỗi nút mạng cũng ảnh hưởng tới việc chiển khai mạng. Tổng chi phí vật
tư và chi phí triển khai ban đầu là hai yếu tố chủ chốt dẫn đến việc có thể chấp
nhận các công nghệ WSN. Với mộ ngân sách cố định thì việc làm giảm giá
thành trên mỗi nút sẽ làm cho khả mua thêm nhiều nút, triển khai một mạng
thu thập với m
ật độ cao hơn, và thu thập được nhiều dữ liệu hơn.
1.2.4. An toàn bảo mật dữ liệu
Mạng cảm nhận không dây thường được dùng ở ngoài môi trường,
phạm vi rộng, giao tiếp với nhau dưới dạng sóng ( sóng Radio, sóng vô
tuyến.. ) chính vì vậy mà việc khi dữ liệu gửi đi bị nhiễu là hoàn toán không
thể tránh khỏi, hay việc bất kỳ một người nào cũng có thể truy nhập vào để
lấy thông tin củ
a mạng, yêu cầu đặt ra là phải đảm bảo an toàn và bảo mật.
- Việc mã hóa thông tin để đảm bảo tính an toàn trong mạng, cần bảo đảm

nhập bất hợp pháp trong khi đó các nút mạng trong mạng cảm nhận không
dây là rất nhỏ do đó rễ dàng ngụy trang cho các nút mạng này ( có thể dấu
vào bụi cây, hòn đá…). Ngoài ra còn có thể dung để thay thế con người
trong các công việc nguy hiểm ( như trong hầm mỏ, nơi nhiễm phóng xạ..)
+ Nông nghiệp và cả
m nhận môi trường thông minh
Trong các trang trại thì diệm tích thường rất lớn do vậy việc
kiểm soát cây trồng cũng như điềm kiện tự nhiên của tường khu vực là khó
khăng, nhất là lượng mưa trong từng khu vực vì mỗi khu vực thường có lượng
mưa khác nhau khi đó mạng cảm nhận không dây có thể thu thập về lượng
mưa của từng khu vực.
Mạng cảm nhận không dây có thể thu th
ập dữ liệu của môi
trường sống của cây trồng, vật nuôi (độ ẩm, nhiệt độ.. ) để cho con người tìm
cách trăm sóc cây trồng, vật nuôi để đạt được năng suất cao.
1.4. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng mạng cảm nhận không dây trên
thế giới và trong nước
1.4.1. Trên thế giới
8
Trên thế giới thì việc phát triền của mạng cảm nhận không dây đã ra
đời được một thời gian khá lâu do vậy họ đã ứng dụng vào một số lĩnh vực
trong đời sống. Không những thế mà còn nghiên cứu để phát triển thêm mạng
này kết hợp với việc công nghệ điện tử ngày càng phát triển với giá thành
ngày càng thấp. Việc phát triển mạng cảm nhận không dây điược nghi lạ

• Dự án Terminodes và mạng di động đặc biệt MANET của IETF –
Intenet Engineering Task Force với mức tiêu thụ điện thấp, vấn đề địa chỉ và
lộ trình trong mạng cảm nhận không dây với các nút mạng lưu động.
• Mạng không gian sâu và âm thanh dưới nước ,với những đặc tính
phạm vi rộng, truyền dữ liệu bằng mạng Radio.
Mạng cảm nhận không dây là chìa khóa để thu thập thông tin cần thiết qua
những môi tr
ường nhạy cảm, cho dù trong những tòa nhà, những nơi công
cộng, khu công nghiệp, tàu thuyền, các hệ thống chuyên chở tự động hay bất
cứ nơi nào khác. Mạng không dây làm tăng khả năng trao đổi dữ liệu. Sự phát
triển mạnh mẽ của công nghệ liên quan, các nhà kinh doanh đã đưa ra các bộ
cảm ứng sẵn có nhiều loại mà phù hợp cho các ứng dụng của mạng cảm nhận
không dây với các chuẩn được
đưa ra:
+ 802.11 Wireless Local Area Netwrok.
+ Bluetooth 1. (802.15.1)
+ Home RF (Radio Frequency)
+ 802.15.4 WPAN :chuẩn với những cải tiến vượt bậc : sự phức tạp
thấp, giá và năng lượng tiêu thụ thấp, ổn định, uyển chuyển. được phê chuẩn
tháng 5 năm 2003.
Như vậy với nhu cầu trao đổi thông tin của xã hội cùng với sự phát triển
mạnh mẽ của các công nghệ liên quan mà mà mạng cảm nhận không dây
được phát triển mạnh mẽ và đ
ang được ứng dụng rộng rãi trong đời sống.
1.4.2 Ở trong nước
11

Hình 1.2: Kiến trúc mạng dạng tuyến tính
- Ưu điểm của
+ Lập trình hoạt động cho các nút mạng đơn giản ( Dễ dàng
trong việc tìm đường đi ).
+ Dễ kiểm soát các nút trong mạng
+ Mạng có thể phát triển theo chiều dài tốt
- Nhược điểm
+ Phạm vi của mạng không lớn.
+ Việc phát triển mạng theo chiều rộng là khó.
1.5.1.2. Kiến trúc mạng dạng hình cây
Trong mạng này gồm có các thành phần: Nút gố
c là nới tiếp nhận toàn
bộ dữ liệu thu thập được trong mạng để chuyển đến người dùng, nút cảm
nhận là nơi thu thập thông tin( nhiệt độ, độ ẩm… ) .
: Nút gốc

: Nút trung gían

: Nút cảm ứng


13
Hình 1.4: Kiến trúc mạng dạng kết hợp
1.5.1.3. Kiến trúc mạng dạng bó (linked cluster architecture_LCA)
Nhóm các nút vào trong các bó, tập hợp dữ liệu và đánh dấu một nút
giữ vai trò truyền thông với trạm gốc

Hình 1.5 : Kiến trúc mạng dạng bó
Trong mạng tổ chức thành một tập hợp của những bó các nút, mỗi nút
thuộc về ít nhất một bó. Mỗi bó có tiều đề bó hành động như một đ
iều khiển
cục bộ cho những nút bên trong bó. Những cổng vào của các nút cung cấp
truyền thông giữa các bó.
- Ưu điểm: Quy mô của mạng rộng nhất. năng lượng tiêu thụ của các
nút mạng là ít nhất trừ nút đầu bó ( do các nút trong bó chỉ phải gửi dữ liệu
đến các nút đầu bó không phải gửi dữ liệu đi xa )
14
- Nhược điểm: Nếu nút đầu bó ngưng hoạt động thì các nút trong bó
15
cảm nhận không dây. Do đó chip CC1010 là một bộ vi xử lí thích hợp cho các
ứng dụng truyền nhận không dây. Sau đây là các đặc điểm nổi bật của
CC1010, các chế độ hoạt động và cách thức xây dựng mô hình mạng cảm
nhận không dây sử dụng CC1010.
1.5.1.1. Đặc điểm chung của CC1010
Vi điều khiển CC1010 chứa nhân CPU 8051, được tích hợp với
bộ thu phát sóng vô tuyến, cùng các thành phần phụ trợ khác và có mức tiêu
thụ
năng lượng thấp, đã được lựa chọn để xây dựng nút mạng. Các thành phần
trong CC1010 và đặc tính của chúng như sau:
• Lõi là vi điều khiển 8051.
• Tốc độ xử lý bằng 2.5 lần vi điều khiển 8051 chuẩn.
• 32 kB flash, 2048 + 128 Byte SRAM.
• 3 kênh ADC 10 bit.
• 4 bộ định thời.
• 2 cổng UART, RTC.
• Watchdog.
• Giao diện lập trình SPI.
• Bộ mã hóa DES tích hợp bên trong.
• 26 chân vào ra chung.
•
Nguồn cung cấp 2.7 - 3.6 V.
• Bộ thu phát sóng vô tuyến 300-1000MHz.
• Tiêu thụ dòng thấp (9.1 mA trong chế độ thu).

Mạng cảm nhận không dây bao gồm các thành phần cơ bản sau:
1. Cảm biến ( sensor ) : Là thiết bị vật lý để đo các thông số của môi
trường được truyền thông qua sóng vô tuyến. Nó gồm 5 thành phần: Phần
cứng cảm nhận, bộ nhớ, nguồn pin, vi sử lý được lập trình nhúng, thiết bị thu.
2. Người dùng: Là người cuối cùng nhận được thông tin của mạng cảm
nhận gử
i lại, Người dùng là người yêu cầu mạng thu thập thông tin gì và nhận
đựơc kết quả của những thông tin đó. Trong một mạng cảm nhận thì có thể có
nhiều nguời dùng cuối.
2.2. Một số ứng dụng mạng cảm nhận không dây ở nứớc ngoài.
Trong các ứng dụng sau đây chúng ta sẽ sử dụng những cảm biến thông
minh. Chúng không phải là những cảm biến bình thường mà là nhữn cảm biến
r
ất nhỏ ( Được chế tạo bàng công nghê nano ) được kết hợp với các mạnh
điện. Được sử dụng trong ứng dụng đo lượng gluco và để khôi phục hình
võng mạc. Những thiết bị yêu cầu trong các ứng dụng này là : Máy tính được
dùng để nhận dữ liệu qua mạn không dây. Và các cảm biến thông minh.
2.2.1. Võng mạc nhân tạo
Trong phần này chúng tôi muốn nói đến các ứng dụng của mạn cảm
nhận không dây cũng nh
ư các cảm biến thông minh dùng trong lĩnh vực y tế
đó là võng mạc nhân tạo. Trong các cảm biến này cần phải có các đầu cảm
nhận ánh sáng. Trong đây chúng tôi sử dụng các cảm biến thông minh được
đặt trong võng mạc và những dự án vimo của trường đại học Wayne và viện
mắt Kresge . Mục đích của ứng dụng này để tạo ra các võng mạc nhân tạo
19

Hình 2.1: sự Minh họa (của) Mảng cảm biến thông minh

Các cảm biến và các mạch được đặt trong mắt như Hình 2. Không
giống một số hệ thống khác mà đã được đề xướng, những cảm biến khôn
khéo này được đặt ở trên võng mạc và đủ nhỏ và đủ nhẹ để được giữ đúng
chỗ với một cách tương đối lực nhỏ. Những cảm biế
n này sản xuất những
tín hiệu điện mà được chuyển đổi bởi màng mỏng nằm bên dưới và bên
trong một sự đáp lại hóa học, tương tự nhữn hành vi vận dụng bình
thường võng mạc từ những kích thích nhẹ. Sự đáp lại số thực chất sản
xuất truyền thông tuần tự số học. Một thiết kế tương tự là hiện thân được
dùng một mô cấy vỏ não. Mặc dù để cách giữa hai khoảng cách lớn hơn
để phù hợp với để cách đang gia tăng giữa hạch trong vỏ trực quan. Như
khi đưa vào Hình 2.2, chính diện của võng mạc trong sự tiếp xúc với
mảng cảm biến nhỏ. Cạnh sau của võng mạc bị kích thích điện (qua một
phục hình võng mạc nhân tạo) bởi những cảm biến trên chíp cảm biến
thông minh. Nh
ững tín hiệu điện này được chuyển đổi vào trong hóa chất
20
những tín hiệu bởi hạch và khác nằm ở dưới những cấu trúc vải mỏng và
sự đáp lại được mang qua thần kinh thị giác tới não.
Sự truyền Tín hiệu từ những cảm biến thông minh ghi khắc trong

năng bình thường (ủa thi
ết bị, mà truyền thông không dây sử dụng từ một
camêra nhúng trong một kính đeo mắt vào trong cảm biến thông minh.
Hình 3.3 miêu tả những bước xử lý từ sự tiếp nhận ảnh ngoài đến sự truyền
tới võng mạc. Một camêra được lên trên Một khung kính đeo mắt đã có thể
định hướng sự gửi ra tới một thời gian thực làm cho sự giảm dữ liệu và xử lý
nó ( Chẳng hạn., Sự
nhận dạng cạnh ). Camêra được kết hợp với một con trỏ
laze tự động lập mã ảnh kết quả vào trong một khuôn dạng gọn rồi truyền
theo sóng vô tuyến vào trong để giải mã bởi những chíp. Cài đặt trong Hình
3 cho thấy một thiết bị thu phát không dây mà bên trong thân thể, nhưng
không phải bên trong võng mạc. Ngoài mục đích nghiên cứu cuối cùng sẽ
hỗ trợ một mảng 1600 chíp cảm biến thông minh, từng cái với m
ột 25 x 25
lưới điện cực. Theo chức năng, những mảng điện cực bên trong trung tâm
của điểm võng mạc sẽ phải khuyến khích võng mạc khác nhau so với ngoại
biên được đặt những mảng điện cực, mỗi cảm biến thông minh được sẽ có
được kết hợp với những cảm biến thông minh khác dựa vào một giải thuật
xử lý ảnh được thiế
t kế để kiểm soát một sự chết của cảm biên thông minh
những mảng, mỗi bản in rời gửi đầu vào cho những vùng võng mạc theo
chức năng khác nhau.Tại màn hình sử dụng thị giác ngoại vi, từ đó võng
mạc ngoại vi có quyết định thời gian tốt hơn hơn.
2.2.1.1. Mạng và xử lý những yêu cầu cảu mạng
Trong mục này, những yêu cầu chức năng của hệ
thống được mô tả
cùng với một số tùy chọn thiết kế. Đề xuất những giải pháp được thúc đẩy
bởi những yêu cầu này. Trong mệnh lệnh để đạt được khi hình dung chức
năng, thông tin hai chiều sẽ được cần giữa một máy tính ngoài và xác định


23
Học viện Quốc gia (NIH) của Viện Sức khỏe Quốc gia Mỹ về Bệnh
đái đường và những bệnh về Tiêu hóa và nhữn báo cáo về các bệnh về
thận 15.7 triệu người – 5.9% dân cư Mỹ mắc bệnh đái đường vào 1999 .
Những sự phức tạp mà xuất hiện từ bệnh đái đường bao gồm bệnh tim,
đột quỵ, cao huyết áp, bệnh về thận… Nhữn că
n bệnh này là một trong 7
nguyên nhân hàng đầu gây tử vong ở mỹ, rõ ràng rằng đây là một bệnh mà
cần sự chú ý nghiêm túc . Sự điều trị bệnh đái đường bao gồm một chế độ
sinh hoạt chính xác : sự ăn kiêng, bài tập, và theo dõi nồng độ đường
trong máu mọi lúc mọi nơi. Khi đó mạng cảm nhận không dây dùng nhữn
cảm biến thông có thể chu cấp một cách có hiệu quả hơn tới việ
c theo dõi
bệnh đái đường i, bằng việc cung cấp một phương pháp chắc chắn, chính
xác, và ít ảnh hưởng tới con nguời hơn để theo dõi những mức Glucoza.
Hiện thời, theo dõi những mức Glucoza máu, người ta sẽ phải dùng các
thử máu bằng cách lấy máu trên các đầu ngón tay mà trong khi đó việc
theo dõi này cần được thực hiện liên tục khi đó nó sẽ ngây ảnh hưởng tới
bệnh nhân. Mạng cảm nhận không dây sẽ có thể kh
ắc phục được điều này
cùng với việc sử dụng các cảm biến thông minh. Cảm biến theo dõi những
mức Glucoza và truyền những kết quả tới một màn hình hiển thị.Các cảm
biến được làm rất nhỏ rùi đưa vào mạch máu của con người nó sẽ đo được
nồng độ Glucoza chính sác hơn và đểu đặn hơn.

Mạng cảm nhận không dây với những cảm biến thông minh đã được
sử dụng để theo dõi sức khỏe của con nguời bằng cách đưa vào trong cơ thể
qua đuờng tiêu hóa. Các nhân viên của NASA làm việc ngoài không gian
với những điều kiện khác hẳn trên trái đất khi đó mạng cảm nhận không
dây sẽ được dùng để theo dõi sức khỏe của họ trong điều ki
ện ngoài không
gian để gửi về trung tâm sử lý trên mặt đất . Nuốt một viên chứa một cảm
biến thông minh có thể gửi cho chúng ta thông tin về độ axit đường ruột, sức
ép, hay những sự làm giảm bớt của)cơ trơn cho phép những bác sỹ tốt hơn
hơn chẩn đoán những bệnh dạ dày-ruột non trong một thái độ không tiếp cận
được với những người đó.
CHƯƠNG 3