Tìm hiểu mạng cảm biến Nhúng

Giới thiệu: Gần đây mạng cảm biến nhúng được nghiên cứu ở nhiều nơi và được bàn thảo ở nhiều diễn đàn. Để có cái nhìn đầy đủ về mạng cảm biến nhúng chúng tôi xin giới thiệu bài viết sau đây [1]. Mạng cảm biến nhúng là mạng các máy tính nhúng triển khai trong thế giới thực nhằm tương tác với môi trường. Các máy tính trong vai trò những nút mạng cảm biến thực chất là một kiểu vi mạch tích hợp có kèm các cảm biến và những thiết bị chấp hành. Những vi mạch tích hợp...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tìm hiểu mạng cảm biến Nhúng Mạng cảm biến Nhúng Giới thiệu: Gần đây mạng cảm biến nhúng được nghiên cứu ở nhiều nơi và được bàn thảo ở nhiều diễn đàn. Để có cái nhìn đầy đủ về mạng cảm biến nhúng chúng tôi xin giới thiệu bài viết sau đây [1]. Mạng cảm biến nhúng là mạng các máy tính nhúng triển khai trong thế giới thực nhằm tương tác với môi trường. Các máy tính trong vai trò những nút mạng cảm biến thực chất là một kiểu vi mạch tích hợp có kèm các cảm biến và những thiết bị chấp hành. Những vi mạch tích hợp này có kích thước rất bé và giá tương đối rẻ. Các nút cảm biến được đặt gần đối tượng cảm nhận và được kết nối thành mạng cho phép truyền dữ liệu cho nhau, cùng làm công việc giám sát môi trường và có thể tác động lại môi trường. Các nút mạng cảm biến hiện nay thường ở dạng tĩnh, mặc dù chúng có thể gắn lên đối tượng chuyển động hoặc tự chúng có thể chuyển động. Để có được những tính chất này cần nhúng chương trình vào nút mạng để nó có khả năng cảm nhận, chấp hành và truyền dữ liệu, đó là sự khác biệt của mạng cảm biến với các laptop dùng để tính toán hoặc các hệ thống cảm biến tập trung truyền thống. Việc nghiên cứu về mạng cảm biến bắt đầu từ những năm 1990 hoặc sớm hơn, tuy nhiên thực sự tăng mạnh từ năm 2000 trở lại đây. Vào lúc đó một nút mạng bao gồm CPU, đầu đo và truyền nhận vô tuyến giá khoảng 1000$. Đến 2004 thì những nghiên cứu đã thực sự trở nên sôi động, các khuôn dạng phần cứng, phần mềm được thiết lập tốt, những quan tâm về thương mại gia tăng. Những lĩnh vực được quan tâm nghiên cứu nhất là quân sự, khoa học và thương mại cho những ứng dụng giám sát thuộc tính sinh học, nông nghiệp và các quá trình công nghiệp. Mạng cảm biến đối mặt với ba thách thức: mức tiêu thụ năng lượng phải nhỏ; Cảm nhận và tương tác với thế giới vật lý thế nào, làm việc theo thuật toán xử lý dữ liệu như thế nào để khai thác sự phong phú, đa dạng bức tranh về môi trường; Mạng phải tự cấu hình với quy mô hàng chục, trăm, nghìn nút như một tổng thể. Phần cứng. Một phần cứng gồm vi điều khiển, đầu đo, thu phát vô tuyến trên cùng nút mạng là sự thuận lợi cho mạng cảm biến cả trong thương mại và nghiên cứu. Một nút mạng gồm CPU +RAM, ROM + I/O + thu phát RF. Thường có 2 loại nút mạng cảm biến, loại nhỏ với CPU 8 bit, 10-100KB RAM, và loại lớn với CPU 32 bit, 100-1000KB ROM-Fash. Thí dụ loại nhỏ là Mica-2 motes sử dụng Atmega128 embedded processor, tốc độ nhịp 4MHz, 128KB Flash, 4KB RAM, 8- channels ADC, 48 digital I/O lines, một UART và một giao diện nối tiếp SPI. Các Motes đã phát triển hàng chục năm qua tại đại học Berkeley, hiện nay là sản phẩm thương mại của các công ty như Crossbow, Dust Networks, và Telos. Nhiều viện nghiên cứu cũng chế tạo sản phẩm tương tự là Nymph từ đại học Colorado [2], và BTnodes từ ETH Zurich [3]) Loại lớn như sản phẩm của Stargate (do Intel thiết kế theo công nghệ Crossbow) hoặc Cerfcube (từ Intrinsyc). Các thiết bị này được dùng trong nhiều ứng dụng nhúng, dùng làm gateways để thu thập dữ liệu từ các nút hoặc cho các ứng dụng đòi hỏi nhiều về việc xử lý tín hiệu. Quản trị công suất là mối quan tâm đối với cả 2 loại nút mạng nói trên. Để quản trị công suất phải điều khiển riêng các thành phần phần cứng (CPU, RAM, Flash, radio, sensors). Nguồn nuôi nút mạng thường là pin hoặc acquy và nhu cầu cấp năng lượng bằng pin mặt trời hoặc từ nguồn khác trở nên quan trọng. Các cảm biến - Sensors Cảm biến phải đồng thời được thu nhỏ kích thước như phần vô tuyến (radios) và bộ xử lý (processors). Sự xuất hiện của cảm biến dạng vi cơ điện tử (MEMS sensors) đáp ứng yêu cầu này. Nhiều sensors dạng MEMS đã làm việc cùng các nút mạng. Mặc dù có rất nhiều dạng sensor khác nhau nhưng chúng đều có một nguyên lý thao tác như nhau: khi môi trường thay đổi kéo theo sự thay đổi thuộc tính điện của các vật liệu được chọn thích ứng. Các sensors kết hợp các mạch điện để phát hiện sự thay đổi thuộc tính điện và được chuẩn hóa để đo chính xác các hiện tượng môi trường tương ứng. Thí dụ sensor nhiệt độ dựa vào sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ trong vật liệu đặc biệt. Việc lựa chọn vật liệu loại nào (từ kim loại đến bán dẫn) là tùy theo yêu cầu về vùng cảm nhận và độ nhạy. Cũng như vậy, một sensor ánh sáng sử dụng vật liệu quang dẫn có đặc tính điện thay đổi theo lượng ánh sáng chiếu vào. Các sensor gia tốc, đo điện thế sinh ra do sự biến dạng cấu trúc của vật liệu áp điện, những biến dạng sinh ra do rung động hoặc gia tốc. Hiện có một nền công nghiệp to lớn dành cho việc chế tạo các Sensors MEMS nhỏ bé. Công nghiệp này được chia theo loại ứng dụng (thí dụ các công ty như Delphi chế tạo sensors cho tự động hóa) hoặc theo loại sensor (thí dụ Silicon Designs tập trung chế tạo sensors độ rung) và một số công ty (thí dụ Ember và Millenial Net), chú trọng vào các ứng dụng mạng cảm biến không dây. 3. Phần mềm và các giao thức - Software and Protocols. Sử dụng phương pháp hệ thống để mô tả các thành phần hạ tầng mạng cảm nhận mục đích chung kết hợp. 3.1 Kết nối mạng Kết nối mạng là thành phần trung tâm của mạng sensor, nó cho phép kết dính các nút riêng biệt để cùng hoạt động. Trong mạng sensor thành phần vô tuyến tiêu thụ năng lượng nhiều nhất trong từng nút mạng, chiếm khoảng 20-40% khi tất cả các thành phần đều hoạt động. Tối ưu hóa thủ tục mạng (giao thức -protocols) đưa đến tăng đáng kể thời gian sống của toàn mạng. Như vậy có thể nghiên cứu các lớp mạng của mạng cảm biến như thủ tục phân tuyến (routing), liên kết với thủ tục điều khiển thâm nhập môi trường (MAC) và điều khiển cấu hình là loại dịch vụ nằm giữa hai lớp kể trên. Các thủ tục điều khiển thâm nhập môi trường (MAC protocols) Tiết kiệm tiêu thụ năng lượng nút mạng là sự quan tâm chính của các thủ tục MAC. Các lý do tiêu thụ năng lượng liên quan đến MAC là sự xung đột gói dữ liệu dẫn đến truyền lại, là thăm dò môi trường (idle listening), là nghe lỏm các gói gửi cho nút khác (overhearing), ...