Mạng Cảm Biến Không Dây WSN

Đồ án giới thiệu mạng cảm biến không dây (WSN) như một hệ thống liên kết các node bằng sóng vô tuyến. Mỗi node bao gồm các chức năng thu thập, xử lý và truyền dữ liệu. Các node này thường nhỏ gọn, giá thành thấp, và sử dụng nguồn năng lượng hạn chế (pin). WSN được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm quân sự (điều khiển robot), y tế (theo dõi bệnh nhân), môi trường (giám sát thiên tai), và các ứng dụng trong đời sống (nhà thông minh, giao thông thông minh). Một điểm nhấn là sự kết hợp cảm nhận, tính toán và truyền thông trong một thiết bị nhỏ, tạo ra khả năng kết nối rộng lớn thông qua mesh networking protocols. Bluetooth, mặc dù cũng là mạng không dây, nhưng khác biệt với WSN về quy mô, khoảng cách giữa các node và mức tiêu thụ năng lượng. WSN thường có số lượng node lớn, khoảng cách giữa các node lân cận ngắn hơn, chi phí thấp hơn, và mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn nhiều so với các mạng khác. Khả năng thu thập dữ liệu của các cảm biến đa dạng (nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, áp suất...) cũng là một điểm mạnh của WSN.

Mô tả kiến trúc phần cứng của một node trong mạng WSN bao gồm các thành phần chính: bộ xử lý nhúng năng lượng thấp, bộ nhớ (RAM và ROM) để lưu trữ chương trình và dữ liệu cảm biến, bộ thu phát vô tuyến cho việc truyền nhận thông tin, và các cảm biến để thu thập dữ liệu môi trường. Do hạn chế về kinh tế, các bộ xử lý thường bị giới hạn về năng lượng. Yêu cầu đối với bộ xử lý là giá thành rẻ, dễ tích hợp với các cảm biến, và tiêu thụ điện năng thấp. Bộ nhớ trên node WSN cũng bị giới hạn về dung lượng do yếu tố kinh tế, nhưng chất lượng sẽ được cải thiện theo thời gian. Nguồn năng lượng chủ yếu là pin, và tùy thuộc vào ứng dụng mà có thể sử dụng cấu trúc mạng sao (star topology) hoặc cây đa nhánh (tree topology) để tối ưu hóa việc truyền dữ liệu và tiết kiệm năng lượng. Do giới hạn về băng thông và nguồn năng lượng, các thiết bị WSN thường chỉ hỗ trợ các cảm biến tốc độ dữ liệu thấp. Lớp vật lý (physical layer) của WSN tương đối đơn giản, sử dụng các kỹ thuật điều chế tín hiệu số như O-QPSK, FSK, và kỹ thuật trải phổ để cải thiện tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) và giảm ảnh hưởng của fading.

Do tính chất đặc thù của WSN, với số lượng node lớn và không cần bảo trì thường xuyên, yêu cầu về giá thành của mỗi node thường thấp (10-50 USD) và kích thước nhỏ gọn. Tuy nhiên, tiêu thụ năng lượng là tiêu chí thiết kế quan trọng nhất do hạn chế về nguồn năng lượng (pin) và yêu cầu hoạt động lâu dài. Phạm vi ứng dụng rộng lớn của WSN dẫn đến sự đa dạng về tính chất và đặc trưng của mạng, phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể. Do đó, các công ty và phòng thí nghiệm thường phát triển các giao thức riêng (MAC, Routing, Synchronization) phù hợp với từng ứng dụng. Một số tiêu chuẩn WSN cũng được đề cập. Các thách thức chính liên quan đến quản lý năng lượng, khả năng hoạt động trong môi trường khắc nghiệt, và vấn đề bảo mật do khả năng hoạt động tự động của các node. Các nhà nghiên cứu tại Berkeley đã phát triển các thiết bị WSN gọi là “motes”, cùng với hệ điều hành nhúng TinyOS, góp phần vào sự phát triển của mạng cảm biến không dây.

Phần này nhấn mạnh tầm quan trọng của giao thức MAC (Medium Access Control) trong mạng cảm biến không dây (WSN). Giao thức MAC chịu trách nhiệm quản lý việc truy cập kênh vô tuyến giữa các node, nhằm tránh xung đột và tối ưu hóa hiệu suất. Một thách thức lớn trong thiết kế giao thức MAC cho WSN là quản lý năng lượng. Việc lãng phí năng lượng có thể xảy ra do nhiều nguyên nhân, bao gồm xung đột khi nhiều node truyền cùng lúc, nghe lỏm (overhearing) - node nhận được gói tin không dành cho mình, chi phí gói tin điều khiển cao (control packet overhead), và lắng nghe khi kênh rảnh (idle listening). Giao thức MAC hiệu quả cần giải quyết các vấn đề này để tối đa hóa thời gian hoạt động của WSN, đặc biệt trong bối cảnh các node thường được cung cấp nguồn năng lượng hạn chế (pin). Mục tiêu chính là phân phối hiệu quả các kênh vô tuyến được chia sẻ giữa các node và đảm bảo không có hai node nào truyền cùng lúc.

Giao thức MAC trong WSN được phân loại thành hai loại chính: thủ tục cạnh tranh cơ bản (contention-based) và thủ tục cạnh tranh tự do (contention-free). Mỗi loại có ưu điểm và nhược điểm riêng. Thủ tục cạnh tranh cơ bản thường đơn giản hơn, thích nghi tốt hơn với sự thay đổi lưu lượng, nhưng dễ dẫn đến xung đột và lãng phí năng lượng. Thủ tục cạnh tranh tự do (ví dụ TDMA) có thể tránh xung đột nhưng thường phức tạp hơn và khó mở rộng. Các giao thức khác nhau cũng được tối ưu cho các mục tiêu khác nhau, ví dụ như tiết kiệm năng lượng, độ trễ thấp, thông lượng cao, chất lượng dịch vụ (QoS). Việc lựa chọn giao thức MAC phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng WSN.

Đồ án xem xét một số giao thức MAC truyền thống, bao gồm ALOHA và CSMA. ALOHA là một giao thức đơn giản, cho phép các node truyền dữ liệu bất cứ lúc nào, nhưng dễ dẫn đến xung đột. CSMA (Carrier Sense Multiple Access) cải thiện ALOHA bằng cách cho node lắng nghe kênh trước khi truyền, nhưng vẫn có thể gặp phải vấn đề node ẩn và node hiện. CSMA/CD (Collision Detection) cố gắng phát hiện và giải quyết xung đột, nhưng không hoàn toàn hiệu quả. MACA (Multiple Access with Collision Avoidance) sử dụng các gói tin điều khiển (RTS và CTS) để tránh xung đột, giải quyết vấn đề node ẩn và node hiện. Giao thức MACA được đề cập như một giải pháp hiệu quả hơn so với CSMA để giảm xung đột và cải thiện hiệu quả sử dụng kênh.

Chuẩn IEEE 802.11 được đề cập như một ví dụ về giao thức MAC sử dụng trong các mạng không dây. IEEE 802.11 sử dụng MACA để giảm xung đột và ACK để xác nhận việc nhận dữ liệu thành công. Nó có thể hoạt động trong chế độ Infrastructure (mạng đơn hop) hoặc ad hoc (mạng đa hop). Kỹ thuật PCF (Point Coordination Function) trong IEEE 802.11 được đề cập, cho phép một node master điều khiển truy cập kênh bằng cách thăm dò (polling) các node khác. PCF hữu ích trong các ứng dụng thời gian thực vì nó đảm bảo độ trễ thấp. So với CSMA, PCF có ưu điểm là thời gian truy cập kênh có thể dự đoán được, không bị trễ ngẫu nhiên, thích hợp cho các ứng dụng đòi hỏi độ trễ thấp, như truyền hình độ nét cao.

Phần này nhấn mạnh tầm quan trọng của tiết kiệm năng lượng trong thiết kế và triển khai mạng cảm biến không dây (WSN). Do các node trong WSN thường sử dụng pin với dung lượng hạn chế, việc tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng là yếu tố then chốt để đảm bảo thời gian hoạt động lâu dài của hệ thống. Các phương pháp quản lý năng lượng cần được áp dụng để kéo dài tuổi thọ của WSN và tránh suy giảm kết nối. Mật độ truyền dữ liệu ảnh hưởng trực tiếp đến tiêu thụ năng lượng: trong mạng nhỏ, mật độ dày, tiêu hao năng lượng cao; ngược lại, mạng lớn, thời gian nghỉ nhiều hơn, tiêu hao năng lượng ít hơn, nhưng nguy cơ nghẽn mạng vẫn tồn tại. Tiết kiệm năng lượng không chỉ giảm chi phí thay thế pin mà còn giúp tăng độ tin cậy và khả năng hoạt động bền vững của hệ thống WSN trong các ứng dụng thực tế.

Một trong những kỹ thuật chính để tiết kiệm năng lượng trong WSN là lập lịch ngủ. Nguyên tắc cơ bản là giảm thiểu thời gian hoạt động của bộ thu phát vô tuyến khi không cần thiết, tức là chuyển sang chế độ ngủ (sleep mode) để giảm tiêu thụ điện năng. Các kỹ thuật lập lịch ngủ điều khiển chế độ hoạt động của radio giữa trạng thái hoạt động và ngủ, thức dậy chỉ khi cần truyền hoặc nhận dữ liệu. Phương pháp này nhằm giảm hiệu quả việc lắng nghe kênh rảnh rỗi (idle listening), một nguyên nhân chính gây lãng phí năng lượng trong WSN.

Đề xuất sử dụng vô tuyến đánh thức thứ cấp như một giải pháp phần cứng để tiết kiệm năng lượng. Mỗi node sẽ được trang bị hai radio: một radio chính có năng lượng cao dùng để truyền dữ liệu, và một radio thứ cấp có năng lượng thấp dùng để đánh thức radio chính. Radio thứ cấp hoạt động liên tục để lắng nghe tín hiệu đánh thức. Khi nhận được tín hiệu, nó đánh thức radio chính để nhận dữ liệu, đảm bảo radio chính chỉ hoạt động khi cần thiết, từ đó giảm đáng kể tiêu thụ năng lượng.

Đồ án giới thiệu hai kỹ thuật tiết kiệm năng lượng cụ thể là TICER và RICER. Cả hai kỹ thuật đều dựa trên việc node thức dậy theo chu kỳ để kiểm tra kênh, nhưng khác nhau về cách thức truyền tín hiệu đánh thức. Trong TICER, node truyền một chuỗi tín hiệu không liên tục, chờ tín hiệu trả lời từ node nhận trước khi truyền dữ liệu. Trong RICER, node truyền một tín hiệu nhắc ngắn để thông báo trạng thái thức, rồi chờ tín hiệu trả lời. Cả hai kỹ thuật đều nhằm giảm thời gian thức của node, từ đó tiết kiệm năng lượng hiệu quả. TICER và RICER được xem như những cải tiến so với việc chỉ kiểm tra tín hiệu preamble đơn thuần.

Đồ án trình bày kiến trúc tổng quan của WSN, bao gồm các thành phần chính: bộ xử lý nhúng năng lượng thấp, bộ nhớ/lưu trữ, bộ thu phát vô tuyến, các cảm biến, hệ thống định vị GPS (nếu có) và nguồn năng lượng. Hệ thống cần có tính mềm dẻo để đáp ứng các yêu cầu khác nhau của ứng dụng. Các ứng dụng chính của WSN được đề cập gồm: thu thập dữ liệu môi trường, an ninh, và theo dõi đối tượng. Mỗi ứng dụng có những yêu cầu khác nhau về truyền thông và giao thức, đòi hỏi sự hỗ trợ từ kiến trúc phần cứng. Yêu cầu quan trọng đối với một node mạng là kích thước nhỏ, tiêu thụ năng lượng thấp và tích hợp truyền nhận không dây. Vì vậy, vi điều khiển CC1010 của hãng Chipcon được lựa chọn để xây dựng hệ thống thực nghiệm do độ tích hợp cao, khả năng truyền nhận RF và tiêu thụ năng lượng thấp.

Kết luận nhấn mạnh tầm quan trọng của tiết kiệm năng lượng trong thiết kế WSN, đặc biệt do hạn chế về nguồn năng lượng (pin), giá thành và yêu cầu hoạt động lâu dài. Tiêu thụ năng lượng là tiêu chí thiết kế hàng đầu. Việc lựa chọn vi điều khiển CC1010 của hãng Chipcon được lý giải dựa trên các tiêu chí: kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ năng lượng thấp, và tích hợp truyền nhận không dây. Đây là một yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu quả hoạt động và tuổi thọ của mạng lưới WSN. Để tiết kiệm năng lượng sóng vô tuyến, giao thức MAC được thiết kế phù hợp, tận dụng tối đa chế độ ngủ (sleep mode) khi không truyền hoặc nhận dữ liệu. Trong bối cảnh hiện nay, WSN vẫn là lĩnh vực cần nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ hơn nữa ở Việt Nam.