Cấu trúc mạng cảm biến không dây

Khi cảm biến không dây xuất hiện trên thị trường và đi vào các ứng dụng thực tế, thì mạng cảm biến cũng bắt đầu mở rộng hơn. Một câu hỏi đặt ra là: Làm thế nào để thích nghi các cấu trúc mạng truyền thống với các phương tiện liên lạc mới hiện nay? Trong bài này chúng ta sẽ tìm hiểu về một số cấu trúc mạng đã, đang và sẽ được sử dụng cho mạng cảm biến
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Cấu trúc mạng cảm biến không dây Cấu trúc mạng cảm biến không dây \ Khi cảm biến không dây xuất hiện trên thị trường và đi vào các ứng dụng thực tế, thì mạng cảm biến cũng bắt đầu mở rộng hơn. Một câu hỏi đặt ra là: Làm thế nào để thích nghi các cấu trúc mạng truyền thống với các phương tiện liên lạc mới hiện nay? Trong bài này chúng ta sẽ tìm hiểu về một số cấu trúc mạng đã, đang và sẽ được sử dụng cho mạng cảm biến. Sự phát triển của các loại công nghệ mạng đã mau chóng thúc ép cảm biến đi tìm những giải pháp thay thế mới có giá thành thấp, độ phức tạp giảm và độ tin cậy tăng. Những kiến trúc mạng cảm biến trước đây sử dụng loại dây đôi xoắn bọc kim đơn giản cho mỗi cảm biến. Tiếp đến, các bus đa điểm (như Ethernet) được sử dụng. Và giờ đây chúng ta bắt đầu nhìn thấy tiềm năng thực sự của kiến trúc mạng dựa trên nền tảng web (như World Wide Web) sẽ được đưa vào nhà máy. Khi cảm biến không dây trở thành thương phẩm quen thuộc trên thị trường thì việc lựa chọn giữa các loại cảm biến và kiểu mạng mới và cũ làm đau đầu các chuyên gia và làm cho họ phải xem xét lại những chiến lược xây dựng kiến trúc mạng mà trước đây đã từng bị gạt sang một bên. Sau đây, chúng ta cùng tìm hiểu về 3 kiểu mạng cơ bản sử dụng cho cảm biến (kiểu mạng điểm - điểm, đa điểm và mạng web - một kiểu mạng của tương lai), đánh giá sức mạnh và điểm yếu của mỗi kiểu mạng và quy luật bị xoay chuyển như thế nào khi hệ thống không dây đi vào ứng dụng. Bên cạnh đó, để xây dựng được một mạng cảm biến khả dụng, cũng phải xét đến việc tích hợp phần cứng và phần mềm từ nhiều nhà cung cấp thiết bị. Đi kèm theo đó là những vấn đề về giao thức và các chuẩn đã có và sẽ có cho cảm biến. Chúng là yếu tố đảm bảo sự tương thông trong nhà máy. Cấu trúc mạng điểm-điểm Trên lý thuyết, kiểu mạng này là an toàn nhất vì chỉ có 1 điểm trong mạng có khả năng xảy ra sự cố, đó là điểm mạng chủ hay còn gọi là host (hình 1). Để nâng cao khả năng của hệ thống mạng chỉ cần bổ sung thêm 1 host dự phòng. Tuy nhiên, việc nối dây 2 host lại là vấn đề đáng bàn. Một số cấu trúc mạng này hỗ trợ tín hiệu điều biến tần (FM - frequency modulated) cho dây dẫn để truyền tải tín hiệu của nhiều cảm biến trên các kênh FM riêng biệt. Một số chuẩn (như HART bus) hỗ trợ đường truyền tín hiệu số song công cho những đường truyền tín hiệu analog sẵn có trong một số nhà máy công nghệ cũ. Kiểu kiến trúc như vậy xóa nhòa danh giới khác biệt giữa cấu trúc mạng điểm-điểm và cấu trúc mạng đa điểm. Những kiểu mạng không dây đầu tiên sử dụng tín hiệu tần số radio (RF - Radio Frequency) đơn giản cho cấu trúc mạng điểm-điểm. Cấu trúc mạng nảy sử dụng modem RF ở 2 đầu mạng. Một cái đặt tại đầu phát làm nhiệm vụ chuyển tín hiệu RS-232 thành tín hiệu radio và cái còn lại đặt tại đầu nhận làm nhiệm vụ chuyển tín hiệu về trạng thái vốn dĩ của nó. Fluke (Everett, Washington) đã phát triển một loại vôn kế số có thể nhận tín hiệu điện áp và truyền đi qua một kênh tần số radio chuyên biệt. Tuy nhiên, cách này bị nghi ngờ về độ tin cậy vì thiết bị này được thiết kế cho những tín hiệu FM mã hóa đơn giản. Còn trong môi trường nhà máy, các yếu tố gây nhiễu có thể làm giảm đáng kể chất lượng của tín hiệu, do vậy mạng trở nên không đáng tin cậy, trừ khi nó được chăm sóc rất chu đáo. Kiểu mạng LAN không dây cũng được sử dụng trong cấu trúc mạng này nhưng nó chỉ tỏ ra hợp với môi trường văn phòng hơn là sàn máy. Những nhà thiết kế sử dụng hệ thống thu thập dữ liệu từ xa kết hợp với cấu trúc mạng này bằng cách dùng bộ gom dữ liệu và đẩy dữ liệu này tới bộ truyền tín hiệu radio để truyền tới host, tại đây, tín hiệu sẽ được đưa trở về hình hài ban đầu vốn có của nó. Cấu trúc mạng đa điểm Những cấu trúc mạng đa điểm bắt đấu xuất hiện vào cuối những năm 70, đầu 80 (thế kỷ XX). Một trong số đó là Modbus của Modicon (Cty Schneider) đã mở đường vào môi trường công nghiệp. Modbus ra đời tiếp sau một số bus mở và bus độc quyền như Qbus và VMEbus. Sự ra đời của cảm biến thông minh và vi máy tính chịu được môi trường công nghiệp đã làm thay đổi mạnh mẽ bối cảnh của mạng cảm biến. Cấu trúc mạng đa điểm đã giảm đáng kế lượng dây dẫn nối các thiết bị hiện trường với host. Nhưng vẫn còn một điểm dễ bị tổn thương đối với kiểu mạng này đó là cáp nối. Nhiều nhà cung cấp giới thiệu các giải pháp nối dây dự phòng, nhưng rốt cuộc chúng chỉ làm phức tạp thêm (hình 2). Khi cấu trúc mạng đa điểm được chấp nhận, thì lại nảy sinh vấn đề số hóa dữ liệu. Với cấu trúc mạng điểm-điểm thì số hóa dữ liệu được thực thi ngay tại host, mỗi host có một đồng hồ đo thời gian thu thập tín hiệu analog từ các cảm biến. Còn với kiểu mạng đa điểm được trang bị trí tuệ nhân tạo phân tán thì vấn đề đồng bộ hóa các đồng hồ trở nên rất quan trọng trong một số ứng dụng. Sự ra đời của Ethernet vào giữa những năm 80 là cột mốc của sự chuẩn hóa. Nhiều công ty đồng thuận rằng, tương lai của của mạng phụ thuộc vào một chuẩn kết nối mở cho phép nhiều nhà thiết kế hệ thống hợp tác cùng nhau, giảm thiểu rào cản khó khăn ngăn cách. Giờ đây, hầu hết các nhà máy đã chuyển sang dùng Ethernet vì cả giá thành và khả năng của nó mang lại. Hệ thống mạng không dây sử dụng chung những giao thức cho cấu trúc mạng đa điểm, tức là mô phỏng kiểu mạng nối dây cứng với các điểm truyền RF. Chuẩn IEEE-802.11 là chuẩn không dây đầu tiên hứa hẹn đưa tính kết nối tương thông của Ethernet và mạng không dây. Tuy nhiên, vẫn có nhiều vấn đề về tương thích nếu đưa tín hiệu truyền qua không khí. Cấu trúc mạng web Sự hứa hẹn của cấu trúc mạng web (khi tất cả các nút luôn trong trạng thái kết nối) vẫn phải đợi đến khi các nhà cung cấp phát triển một giải pháp kết nối các nút mạng mà không cần dây dẫn. Đối với một mạng nối dây, nếu mạng quá lớn thì việc nối dây dường như trở nên bất khả thi (hình 3). Còn kiểu mạng nối dây theo đường dây điện thoại luôn có tính kết nối cao ở mọi nơi, mọi lúc, nhưng tốc độ của nó thì lại quá chậm. Còn đối với kiểu mạng với web thì mọi thứ đều có thể. Lợi ích của việc kết nối mạng cảm biế ...