Mạng cảm biến không dây là gì? Phân loại và ứng dụng của WSN

Trong những năm gần đây, tính hiệu quả của Mạng cảm biến không dây đã trở thành lĩnh vực nghiên cứu hàng đầu. Cảm biến là một thiết bị phản hồi và phát hiện một số loại đầu vào tín hiệu vật lý hoặc môi trường, chẳng hạn như áp suất, nhiệt, ánh sáng,… Đầu ra của cảm biến là tín hiệu điện được truyền đến bộ điều khiển để xử lý thêm . Bài viết này để giới thiệu đến các bạn tổng quan về các loại mạng cảm biến không dây, phân loại, cũng như ứng dụng của chúng.

Mạng cảm biến không dây là gì?

Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks – WSNs) 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, sóng vô tuyến.

WSN bao gồm các trạm gốc và các nút. Các nút thường là các cảm biến không dây (wireless sensors), có thiết kế nhỏ gọn, được phân bố với số lượng lớn trên phạm vị rộng. Các nút này được sử dụng để theo dõi các điều kiện vật lý hoặc môi trường như nhiệt độ, âm thanh, rung động, áp suất, chuyển động hoặc các chất ô nhiễm và hợp tác truyền dữ liệu của chúng qua mạng tới trạm thu phát (Sink) hoặc trạm gốc nơi dữ liệu có thể được quan sát và phân tích.

Một Sink hoặc trạm gốc hoạt động giống như một giao diện giữa người dùng và mạng. Có thể lấy thông tin cần thiết từ mạng bằng cách đưa vào các truy vấn và thu thập kết quả từ Sink.

Cấu trúc của một nút cảm biến không dây

Cấu trúc cơ bản của nút mạng 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 bốn thành phần cơ bản gồm: bộ phận cảm biến, bộ xử lý, bộ thu phát vô tuyến và nguồn cấp. Tuỳ theo ứng dụng cụ thể, nút cảm biến còn có thể có các thành phần bổ sung 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 (ADC). 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.

Cấu trúc liên kết mạng cảm biến không dây

Cấu trúc của Mạng cảm biến không dây bao gồm các cấu trúc liên kết khác nhau cho mạng truyền thông vô tuyến. Dưới đây là một cuộc thảo luận ngắn về cấu trúc liên kết mạng áp dụng cho mạng cảm biến không dây.

Cấu trúc hình sao – Star

Cấu trúc liên kết hình sao là một cấu trúc liên kết truyền thông, 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. Các nút không được phép gửi thông báo cho nhau.

• Ưu điểm

Tính đơn giản, khả năng giữ mức tiêu thụ điện năng của nút từ xa ở mức tối thiểu. Nó cũng cho phép thông tin liên lạc có độ trễ thấp giữa nút từ xa và trạm gốc.

• Nhược điểm

Trạm gốc phải nằm trong phạm vi truyền dẫn vô tuyến của tất cả các nút riêng lẻ và khả năng mở rộng không bằng các mạng khác do sự phụ thuộc của nó vào một trạm gốc để quản lý mạng.

Cấu trúc cây – Tree

Cấu trúc liên kết cây còn được gọi là cấu trúc liên kết hình sao nhiều tầng. Trong cấu trúc liên kết cây, mỗi nút kết nối với một nút được đặt cao hơn trong cây, sau đó gateway.

• Ưu điểm

Có thể dễ dàng mở rộng mạng và việc phát hiện lỗi cũng trở nên dễ dàng.

• Nhược điểm

phụ thuộc rất nhiều vào cáp bus, nếu nó bị hỏng, tất cả mạng sẽ sụp đổ.

Cấu trúc liên kết lưới – Mesh

Các 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, nghĩa là, nếu một nút muốn gửi một thông điệp đến một nút khác nằm ngoài phạm vi liên lạc vô tuyến, nó có thể sử dụng một nút trung gian để chuyển tiếp thông điệp đến nút mong muốn.

• Ưu điểm

Có lợi thế về khả năng dự phòng và khả năng mở rộng. Nếu một nút riêng lẻ bị lỗi, một nút từ xa vẫn có thể giao tiếp với bất kỳ nút nào khác trong phạm vi của nó, do đó, có thể chuyển tiếp thông điệp đến vị trí mong muốn. Ngoài ra, phạm vi của mạng không nhất thiết bị giới hạn bởi phạm vi giữa các nút đơn lẻ; nó chỉ có thể được mở rộng bằng cách thêm nhiều nút hơn vào hệ thống.

• Nhược điểm

Tiêu thụ năng lượng cho các nút triển khai truyền thông đa bước thường cao hơn so với các nút không có khả năng này, thường làm hạn chế tuổi thọ pin. Ngoài ra, khi số lượng các bước truyền thông tin đến đích tăng lên, thời gian để gửi thông điệp cũng tăng lên. Chi phí đầu tư mạng lưới lớn và đòi hỏi vốn đầu tư nhiều.

Các loại mạng cảm biến không dây

Tùy thuộc vào môi trường, các loại mạng được quyết định để chúng có thể được triển khai dưới nước, dưới lòng đất, trên cạn,… Các loại WSN khác nhau bao gồm:

WSN trên cạn (Terrestrial wireless sensor networks)

Các WSN trên mặt đất 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 được triển khai theo cách phi cấu trúc hoặc có cấu trúc (được lên kế hoạch trước). Trong WSN này, nguồn pin bị hạn chế; tuy nhiên, pin được trang bị pin mặt trời như một nguồn năng lượng thứ cấp.

WSN ngầm (Underground wireless sensor networks)

Mạng cảm biến không dây ngầm đắt hơn mạng WSN trên mặt đất về mặt triển khai, bảo trì. Mạng WSNs bao gồm 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.

Mạng cảm biến không dây ngầm dưới lòng đất

Các mạng cảm biến không dây ngầm được triển khai trong lòng đất rất khó để sạc pin lại. Thêm vào đó, môi trường ngầm khiến giao tiếp không dây trở thành một thách thức do mức độ suy giảm và mất tín hiệu cao.

WSN dưới nước (Under Water wireless sensor networks)

Hơn 70% diện tích trái đất là nước. Các mạng này bao gồm một số nút cảm biến và các phương tiện được triển khai dưới nước. Các phương tiện tự hành dưới nước được sử dụng để thu thập dữ liệu từ các nút cảm biến này. Một thách thức của liên lạc dưới nước là độ trễ truyền dài, băng thông và cảm biến bị lỗi.

Mạng cảm biến không dây 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)

Mạng cảm biến không dây đa phương tiện đã được đề xuất để cho phép theo dõi và giám sát các sự kiện dưới dạng đa phương tiện, chẳng hạn như hình ảnh, video và âm thanh. Các mạng này bao gồm các nút cảm biến chi phí thấp được trang bị micrô và máy ảnh. Các nút này được kết nối với nhau qua kết nối không dây để nén dữ liệu, truy xuất dữ liệu và tương quan.

Những thách thức với WSN đa phương tiện là tiêu thụ năng lượng cao, yêu cầu băng thông cao, xử lý dữ liệu và kỹ thuật nén. Ngoài ra, nội dung đa phương tiện yêu cầu băng thông cao để nội dung được truyền tải đúng cách và dễ dàng.

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, v.v.

Ứng dụng mạng cảm biến không dây

• Ứng dụng trong môi trường và ngành nông nghiệp

Kiểm tra các điều kiện môi trường ảnh hưởng tới mùa màng và vật nuôi, tình trạng nước tưới, kiểm tra môi trường không khí, đất trồng, 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.

• Ứng dụng trong y tế và giám sát sức khoẻ

Kiểm tra tình trạng của bệnh nhân; chẩn 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; kiểm tra từ xa các số liệu về sinh lý con người; giám sát, kiểm tra các bác sĩ và bệnh nhân bên trong bệnh viện.

• Ứng dụng trong quân sự

Một số ứng dụng của mạng cảm biến trong quân sự có thể kể đến: 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.

• Tự động hoá gia đình, Smart Home
• Giám sát và điều khiển công nghiệp

Mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong linh vực này chủ yêu phục vụ việc thu thập thông tin, giám sát trạng thái hoạt động của hệ thống như trạng thái các van, trạng thái thiết bị, nhiệt độ và áp suất,…

Những thách thức của WSN

Những thách thức khác nhau trong mạng cảm biến không dây bao gồm những điều sau đây.

• Khả năng chịu lỗi

Một số nút cảm biến ngừng hoạt động do mất nguồn nên có thể xảy ra hư hỏng vật lý. Khả năng chịu lỗi không gì khác ngoài khả năng duy trì các chức năng của mạng cảm biến mà không bị gián đoạn do lỗi của các nút cảm biến.

• Tính ổn đinh khi mở rộng hệ thống

Số lượng nút được sử dụng trong khu vực phát hiện có thể theo thứ tự hàng nghìn, hàng trăm & sơ đồ định tuyến phải đủ khả năng mở rộng để phản hồi các sự kiện.

• Chi phí sản xuất

Mạng cảm biến bao gồm nhiều nút cảm biến; trong đó giá một nút là rất quan trọng để xác nhận chi phí của mạng tổng thể và do đó giá của mỗi nút cảm biến phải được giữ ở mức thấp.

• Môi trường hoạt động
• Chất lượng dịch vụ

Chất lượng dịch vụ mà ứng dụng cần có thể là hiệu quả năng lượng, thời gian tồn tại và dữ liệu đáng tin cậy.

• Nén dữ liệu
• Độ trễ 
• Vấn đề bảo mật