Mạng cảm biến không dây và ứng dụng

Mạng cảm biến không dây là gì? Và ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong thực tế hiện nay ra sao? Hãy cùng đi tìm hiểu để giải đáp những thắc mắc này nhé.

1. Mạng cảm biến không dây là gì?

Mạng cảm biến không dây trong tiếng Anh còn được gọi là Wireless Sensor Networks – WSNs. Đây là một mạng tập hợp các thiết bị giao tiếp thông tin thu thập được từ hiện trường được giám sát thông qua các liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại, quang học) và phân tán với quy mô lớn trong bất kỳ điều kiện và ở bất kỳ vùng địa lý nào.

Mạng cảm biến không dây bao gồm các trạm gốc và các nút, mạng cảm biến không dây có thể liên kết trực tiếp với nút quản lý giám sát trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua một điểm thu phát và môi trường mạng công cộng như Internet hay vệ tinh.

Lợi thế chủ yếu của mạng cảm biến không dây là khả năng xử lý tốc độ cao, triển khai hầu như trong bất kì loại hình địa lý nào kể cả các môi trường nguy hiểm không thể sử dụng mạng cảm biến có dây truyền thống.

2. Cấu trúc của nút cảm biến không dây

Các nút cảm biến có thể giao tiếp với nhau bằng tín hiệu vô tuyến. Một nút cảm biến được tạo thành từ 4 thành phần cơ bản là: bộ phận cảm biến, bộ xử lý, bộ thu phát vô tuyến và nguồn cấp.

Tùy theo ứng dụng cụ thể, nút cảm biến còn có thêm nhiều các thành phần bổ sung khác. Ví dụ như: hệ thống định vị GPS, bộ phát điện và thiết bị di động,…

Các đơn vị cảm biến thường bao gồm hai đơn vị con: cảm biến và bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số. Các tín hiệu tương tự do cảm biến tạo ra được ADC chuyển đổi thành tín hiệu kỹ thuật số, sau đó được đưa vào bộ xử lý.

Đơn vị xử lý thường được liên kết với một đơn vị lưu trữ nhỏ và nó có thể quản lý các thủ tục làm cho nút cảm biến cộng tác với các nút khác để thực hiện các nhiệm vụ cảm biến được giao.

Bộ thu phát kết nối nút với mạng. Một trong những thành phần quan trọng nhất của nút cảm biến là khối nguồn. Các đơn vị năng lượng điện có thể được hỗ trợ bởi một đơn vị thu gom năng lượng như pin mặt trời. Các đơn vị con khác của nút phụ thuộc vào ứng dụng.

3. Nền tảng của mạng cảm biến không dây

Phần cứng

WSN có một số chuẩn là ISO 18000 – 7, 6 lowpan và WirelessHART. Một số chuẩn khác đang được nghiên cứu bởi các nhà nghiên cứu như ZigBee, Wibree.

Hệ điều hành

Hệ điều hành cho nút mạng cảm biến thường ít phức tạp hơn hệ điều hành sử dụng trong các ứng dụng thông thường. Lý do là vì:

• Yêu cầu đặc biệt của ứng dụng WSN và tài nguyên hạn chế của các nút mạng
• Hệ điều hành dành cho mạng cảm nhận không hỗ trợ thời gian thực

Hệ điều hành đầu tiên được thiết kế đặc biệt cho WSN là TinyOS với kích thước nhỏ, mã nguồn mở, dùng mô hình hướng sự kiện. Cho phép vi điều khiển xử lý nhiều tác vụ song song với nguồn tài nguyên hạn chế.

Ngôn ngữ lập trình

Các nút cảm biến thường khó lập trình hơn so với các hệ thống máy tính thông thường vì hạn chế về nguồn tài nguyên. Dẫn đến việc phát triển một số ngôn ngữ lập trình mới cho WSN.

Tuy vậy, ngôn ngữ phổ biến hiện nay để lập trình cho nút mạng cảm biến là ngôn ngữ C. Một số ngôn ngữ dành cho nút mạng cảm biến là: c@t (Computation Language), galsC, nesC, Protothreads, SNACK, SQRL.

Thuật toán

Mạng cảm biến không dây được hình thành từ một số lượng lớn các nút cảm nhận, do đó thuật toán cho WSN là thuật toán phân phối.

Trong WSN yếu tố tài nguyên đáng quan tâm nhất là năng lượng và một trong những hoạt động tiêu tốn nhiều năng lượng nhất là truyền dữ liệu. Do đó, trong WSN chủ yếu tập trung vào nghiên cứu thiết kế các thuật toán tối ưu sử dụng năng lượng khi dữ liệu được truyền từ các nút mạng đến trạm gốc.

Dữ liệu truyền đi trong mạng thông thường theo kiểu nhiều chặng (từ nút đến nút, sau đó chuyển tiếp lên trạm gốc) với mục đích tiết kiệm năng lượng.

4. Cấu trúc liên kết mạng cảm biến không dây

Cấu trúc hình sao – Star

Cấu trúc liên kết hình sao là cấu trúc liên kết truyền thông mà trong đó mỗi nút kết nối trực tiếp với trạm gốc. Trạm gốc duy nhất có thể gửi hoặc nhận tin nhắn đến một số nút từ xa, không cho phép các nút gửi thông báo cho nhau.

Cấu trúc cây – Tree

Cấu trúc liên kết cây còn được gọi là cấu trúc liên kết hình sao nhiều tầng. Ở đây, mối nút kết nối với một nút được đặt cao hơn trong cây, sau đó gateway. Nhược điểm lớn nhất của loại cấu trúc này là phụ thuộc vào nhiều cap bus, nếu khi nó bị hỏng thì tất cả mạng sẽ sụp đổ.

Cấu trúc liên kết lưới – Mesh

Cấu trúc liên kết Mesh cho phép truyền dữ liệu từ nút này sang nút khác, nằm trong phạm vi truyền dẫn vô tuyến của nó.

Điều này cho phép cái được gọi là truyền thông đa bước, nếu một nút muốn gửi thông điệp đến một nút khác nằm ngoài phạm vi liên lạc vô tuyến thì nó có thể sử dụng một nút trung gian để chuyển tiếp thông điệp đến nút mong muốn.

Nhược điểm duy nhất của cấu trúc này chắc là do chi phí đầu tư mạng lưới lớn và đòi hỏi vốn đầu tư nhiều.

5. Các loại mạng cảm biến không dây

Các loại mạng cảm biến không dây thường sẽ có những đặc điểm riêng, phù hợp theo từng loại môi trường. Có thể là dưới nươc, dưới lòng đất, trên cạn,… Dưới đây là một số loại thường được ưa dùng nhất.

WSN trên cạn (Terrestrial wireless sensor networks)

Các WSN trên cạn có khả năng giao tiếp các trạm gốc một cách hiệu quả và bao gồm hàng trăm đến hàng nghìn nút cảm biến không dây, triển khai theo cách phi cấu trúc hoặc có cấu trúc.

Trong WSN trên cạn nguồn pin bị hạn chế và được trang bị pin mặt trời như một nguồn năng lượng thứ cấp.

WSN ngầm (Mạng cảm biến không dây ngầm)

Loại mạng WSN ngầm đắt hơn mạng trên mặt đất về mặt triển khai và bảo trì. Chúng gồm có một số nút cảm biến được ẩn trong lòng đất để theo dõi các điều kiện dưới lòng đất.

Để chuyển tiếp thông tin từ các nút cảm biến đến trạm gốc, các nút chìm bổ sung được đặt trên mặt đất.

WSN dưới nước (Under Water wireless sensor networks)

Mạng WSN ở dưới nước bao gồm một số nút cảm biến và các phương tiện được triển khai dưới nước. Ở dưới nước, WSN được trang bị một loại pin hạn chế không thể sạc lại hoặc thay thế. Vấn đề bảo tồn năng lượng cho các WSN dưới nước liên quan đến sự phát triển của các kỹ thuật mạng và truyền thông dưới nước.

WSN đa phương tiện (Multimedia wireless sensor networks)

Chúng được đề xuất dùng để theo dõi, giám sát các sự kiện dưới dạng đa phương tiện, ví dụ như hình ảnh, video, âm thanh,… Các mạng này bao gồm các nút cảm biến chi phí thấp được trang bị micro và máy ảnh. Các nút này được kết nối với nhau để nén dữ liệu, truy xuất dữ liệu và tương quan.

Mạng cảm biến không dây di động (Mobile Wireless Sensor Networks)

Các mạng này bao gồm một tập hợp các nút cảm biến có thể tự di chuyển và có thể tương tác với môi trường vật lý. MWSN linh hoạt hơn nhiều so với WSN tĩnh vì các nút cảm biến có thể được triển khai trong bất kỳ tình huống nào và đối phó với những thay đổi cấu trúc liên kết nhanh chóng,…

Ưu điểm của MWSN so với mạng cảm biến không dây tĩnh bao gồm phạm vi phủ sóng tốt hơn và được cải thiện, hiệu quả năng lượng tốt hơn, dung lượng kênh vượt trội,…

6. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây

Giám sát và điều khiển công nghiệp

Mạng cảm biến không dây phục vụ cho việc thu thập thông tin, giám sát trạng thái hoạt động của hệ thống. Như các van, trạng thái thiết bị, nhiệt độ và áp suất của nguyên liệu được lưu trữ, hệ thống điều khiển không dây ánh sáng quảng cáo.

Tự động hóa giá đình và điện dân dụng

Mạng cảm biến không dây hỗ trợ các dịch vụ gia đình trên ô tô, ổ khoá không dây, các cảm biến cửa ra vào và cửa sổ, và các bộ điều khiển bóng đèn không dây, chủ nhà có một thiết bị tương tự như một key-fob với một nút bấm.

Triển vọng của mạng cảm biến không dây trong quân sự

Một số ứng dụng của mạng cảm biến không dây là: kiểm tra lực lượng, trang bị, đạn dược, giám sát chiến trường, trinh sát vùng và lực lượng địch, tìm mục tiêu, đánh giá thiệt hại trận đánh, trinh sát và phát hiện các vũ khí hóa học - sinh học - hạt nhân.

Ứng dụng trong y tế và giám sát sức khỏe

Trong lĩnh vực y tế và giám sát sức khỏe thì mạng cảm biến không dây phục vụ cho:

• Cung cấp khả năng giao tiếp cho người khuyết tật
• Kiểm tra tình trạng của bệnh nhân, kiểm tra từ xa các số liệu về sinh lý con người
• Chuẩn đoán, quản lý dược phẩm trong bệnh viện.
• Kiểm tra sự di chuyển và các cơ chế sinh học bên trong của côn trùng và các loài sinh vật nhỏ khác.

Ứng dụng trong môi trường và ngành nông nghiệp

Mạng cảm biến không dây được dùng nhiều trong các trang trại chăn nuôi và trồng trọt như sau:

• Theo dõi sự di chuyển của các loài chim, loài thú nhỏ, côn trùng. Kiểm tra các điều kiện môi trường ảnh hưởng tới mùa màng và vật nuôi.
• Tình trạng nước tưới cho cây trồng, tính toán trong nông nghiệp, phát hiện ra các hóa học, sinh học,…
• Kiểm tra môi trường không khí, đất trồng, biển, rừng,…
• Phát hiện cháy rừng, nghiên cứu khí tượng và địa lý, phát hiện lũ lụt, vẽ bản đồ sinh học phức tạp của môi trường và nghiên cứu ô nhiễm môi trường.
• Người chăn nuôi lợn hoặc gà có các đàn trong các chuồng nuôi mát, thoáng khí. Mạng  cảm biến không dây có thể được sử dụng cho việc giám sát nhiệt độ khắp chuồng nuôi, đảm bảo an toàn cho đàn.

Bài viết trên đã tổng hợp những kiến thức cơ bản nhất về mạng cảm biến không dây. Hy vọng sẽ giúp bạn tìm hiểu được thêm về chúng.

>>> Xem thêm: Máy tính nhúng công nghiệp không quạt